Régulation des paramètres de procédé

Le paramètres de procédé à réguler les plus courants sont:
 - débit
 - température
 - pression
 - niveau
et aussi parfois des paramètres liés à la qualité des fluides tels que:
 - pH
 - conductivité
 - viscosité
Dans la plupart des cas ces paramètres sont influencés par la variation du débit d'un fluide (fluide chauffant ou refroidissant, fluide de remplissage, fluide réactif, ...) ou le fonctionnement d'un équipement (pompe, ventilateur, résistance chauffante, ...)

Un système de régulation comprend:
 - un capteur de mesure de la grandeur à réguler
 - un équipement (organe réglant) permettant de faire varier un débit de fluide ou d'énergie (vanne, variateur de vitesse, ...). La grandeur à réguler doit bien sûr être sensible au variations de débit réglé.
 - un régulateur sur lequel on défini une consigne, qui est la valeur de la grandeur  mesurée qu'on souhaite atteindre ou maintenir. Le régulateur sera capable d'agir, directement ou indirectement, sur l'organe réglant.
Un tel ensemble est nommé boucle de régulation.
Le rôle du régulateur est d'ajuster la position de l'organe réglant afin de faire concorder la valeur mesurée et le point de consigne.

Le régulateur compare en permanence la mesure de la grandeur à réguler et la consigne, et agit sur l'organe réglant. Typiquement cette action sera suivant les cas:
 - l'ouverture ou la fermeture d'une vanne
 - la mise en service ou l'arrêt d'un équipement
 - ...

Eléments d'une boucle de régulation

Capteur

Le capteur est l'élément sensible au paramètre physique à mesurer. Le type de mesure effectuée dépend de la technologie du capteur. Par exemple on mesurera:
 - la résistance électrique d'un capteur de température Pt100
 - une pression différentielle sur un débit-mètre à orifice
 - une pression statique sur une mesure de niveau à membrane
 - ...

Transmetteur

Le transmetteur converti la mesure physique adaptée au capteur, en signal pouvant être interprété par les autres éléments de la chaîne de traitement.
Le signal transmit peut être sous forme analogique ou digitale:
 - un signal analogique a une variation continue, et peut prendre un nombre infini de valeurs.
 - un signal digital ou numérique, ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs (0,1,2,...).
Jusque dans les années 1960, les systèmes de régulation de procédés utilisaient une pression d'air comprise entre 0,2 et 1 bar, véhiculée par des tuyauteries de faible diamètre. Cela limitait fortement les distances autorisées entre les éléments. Les régulateurs eux-même utilisaient l'air dans leur principe de fonctionnement. A partir des années 1970, la transmission de signal utilise un courant électrique compris entre 4 et 20mA (ou plus rarement 0 et 10v). Les régulateurs deviennent électroniques avec l'utilisation d'amplificateurs opérationnels.
Dans les années 1990 sont apparus les éléments utilisant les signaux numériques (transmetteurs et controleurs programmables).
Le transmetteur est paramétrable; la valeur physique correspondant au minimum de l'échelle (4mA ou 0v) est ajustable grâce au réglage du zéro;  la valeur physique correspondant à son maximum (20mA ou 10v) est réglable par la valeur de gain.
Les transmetteurs les plus modernes sont dit intelligents quand ils permettent une correction de la valeur fournie par le capteur pour tenir compte de paramètres perturbateurs (correction de pression et température par exemple). De plus ils peuvent transmettent la valeur de la grandeur mesurée sous forme digitale, l'afficher localement, communiquer avec un bus, ....

Convertisseur analogique → digital

Les régulateurs les plus modernes sont numériques. Ils doivent recevoir du capteur une information de type numérique codée sur 12, 13 ou 14 bits. Le convertisseur a pour fonction de convertir le signal 4-20mA ou 0-10v envoyé par le transmetteur en valeur numérique comprise entre 0 (4mA ou 0v) et 4095 (20mA ou 10v) si la valeur est codée avec 12 bits.
Si le régulateur est analogique, le signal 4-20mA n'a pas besoin d'être converti. Il sera traité tel quel par le régulateur.

Régulateur

Le régulateur lui-même effectue le traitement des informations et décide de l'action sur l'organe réglant. Si le régulateur est numérique:
 - il calcule l'écart entre mesure et consigne
 - il calcule une valeur de sortie fonction des paramètres de réglage PID (gain, intégrale et dérivée)
Cette valeur de sortie est également une valeur numérique qui pour des raisons pratiques est exprimée en pourcentage d'échelle (de 0 à 100%)
Si le régulateur est analogique, le signal 4-20mA des entrée est traité par des amplificateurs opérationnels pour fournir un signal de sortie également en 4-20mA.

Convertisseur digital → analogique

Ce convertisseur placé sur la sortie d'un régulateur numérique convertira la valeur fournie en signal normalisé 4-20mA ou 0-10v utilisable par le positionneur.

Positionneur

Le positionneur opère conjointement avec le servo moteur. Si le servo moteur est pneumatique, il ajustera la pression d'air pour que l'organe réglant prenne bien la position demandée par le régulateur.

Servo-moteur

Le servo moteur actionne l'organe réglant (généralement une vanne). Il peut être électrique, ou bien à fluide moteur, pneumatique ou hydraulique.
Il est:
 - à simple effet si le fluide moteur n'agit que dans un seul sens, un ressort agissant en sens inverse
 - à double effet si le fluide moteur agit dans les deux sens
Il peut être choisi pour:
 - fermer la vanne par manque de fluide moteur (le ressort agira pour fermer la vanne)
 - ouvrir la vanne par manque de fluide moteur (le ressort agira pour ouvrir la vanne)
 - maintenir la vanne en position par manque de fluide moteur

Modes d'action des régulateurs

Les modes d'action sur l'organe réglant sont:
 - action tout ou rien
 - action proportionnelle (P)
 - action proportionnelle et intégrale (PI)
 - action proportionnelle, intégrale et dérivée (PID)

Action tout ou rien

Les positions de l'organe réglant, selon son type, sont limitées à:
 - marche ou arrêt
 - ouvert ou fermé

Si la mesure est supérieure au point de consigne, l'organe de réglage est placé dans une position, tandis qu'il sera placé dans l'autre position si la mesure devient inférieure au point de consigne.
Les positions de l'organe réglant seront choisies afin de toujours ramener la mesure au plus prêt du point de consigne.
La mesure oscillera continuellement autour du point de consigne, sans jamais pouvoir se stabiliser.
Un tel mode d'action sera choisi quand:
 - on recherche un système simple et peu couteux
 - on n'a pas besoin d'une grande precision de réglage
 - le besoin d'action est peu fréquent

Un tel régulateur peut être mécanique ou électronique. Un thermostat à bilames métallique est un exemple de sytème de régulation mécanique tout ou rien.

Action proportionnelle (P)

Le mode d'action proportionnelle ne peut s'appliquer que si une variation continue de l'organe réglant est possible, ou bien si on peut faire varier de manière continue les temps de fonctionnement ou d'arrêt d'un équipement.
Par exemple:
 - une vanne de réglage avec un servo moteur pouvant prendre toute position d'ouverture entre 0 et 100%
 - un brûleur de chaudière dont le temps de fonctionnement pourrait être ajusté entre 0 et 60mn par heure (ou entre 0 et 10 mn par tranche de 10 mn).

Dans le mode d'action proportionnelle, l'action du régulateur sur l'organe réglant est proportionnelle à l'écart entre mesure et consigne. Ainsi plus l'écart à la consigne est grand plus l'action sur l'organe réglant est important. Par contre, si un débit de fluide continu est nécessaire pour maintenir constante la mesure, l'écart entre mesure et consigne ne pourra jamais être nul. Le point de consigne ne sera alors jamais atteint par la mesure. Le mode d'action proportionnelle permet d'avoir une action proportionnée sur l'organe réglant, mais ne permet pas de garantir le respect d'une consigne.

On apelle gain le coefficient de proportionalité entre l'écart mesure-consigne et la sortie du régulateur. On utilise aussi le terme de bande proportionnelle pour désigner la variation de mesure qui provoque une variation de sortie du régulateur de 0 à 100%.

Le gain a une influence sur l'écart résiduel à la consigne constaté avec une action seulement proportionnelle. Plus le gain est important, plus l'écart résiduel à la consigne est réduit. Mais un gain trop important est source d'instabilités et de pompages.

Un tel régulateur peut être mécanique ou électronique. Un régulateur de niveau à flotteur actionnant directement l'ouverture de la vanne de remplissage (typiquement un mécanisme de remplissage de chasse d'eau) est un exemple de sytème de régulation mécanique proportionnelle.

Action proportionnelle et intégrale (PI)

 Par construction, une action proportionnelle pure ne permet pas à la mesure d'atteindre le point de consigne si une ouverture permanente de l'organe réglant est nécessaire. Il subsistera un écart permanent entre mesure et consigne. Il sera comblé en ajoutant à l'action proportionnelle une action dite intégrale, d'autant plus importante que l'écart entre mesure et consigne persiste longtemps.
L'action intégrale est affectée d'un signe. Elle est positive si elle doit renforcer l'action proportionnelle, et négative si elle doit l'atténuer.
Le paramètre de réglage de l'action intégrale s'exprime en:
 - nombre (N) de répétition de l'action proportionnelle par minute
 - ou en minutes (T) pour augmenter l'action d'une valeur égale à l'action proportionnelle
en fonction de la configuration du régulateur, avec N = 1/T
Exemple:
Un réservoir de liquide duquel un débit permanent est soutiré, doit être maintenu à niveau constant en agissant sur l'ouverture d'une vanne de remplissage.
Le régulateur ouvre la vanne de remplissage lorsque le niveau est sous le point de consigne. Si l'action est uniquement proportionnelle, le niveau sera stabilisé à une valeur inférieure au point de consigne afin de maintenir une ouverture minimum de la vanne. Ainsi, si le gain du régulateur est égal à 2, l'écart mesure-consigne sera par exemple de 10% pour une ouverture à 20% de la vanne de remplissage.
L'action intégrale tendra à augmenter l'ouverture de la vanne de remplissage afin de combler l'écart résiduel. Ainsi si l'action intégrale est réglée à 1 répétition/mn, l'action du régulateur augmentera de:
 - 20%/mn pour un écart consigne-mesure = 20%
 - 2%/mn pour un écart consigne-mesure = 2%
 - etc ...
L'écart mesure-consigne diminuant, l'action proportionnelle devient progressivement nulle, et la sortie du régulateur en régime stabilisé ne provient que du cumul de l'action intégrale. Cependant un mode d'action uniquement intégral n'est pas utilisable, sa réaction à une perturbation étant généralement trop lente. Le bon compromis est généralement une action proportionnelle avec un gain peu important pour une bonne stabilité, associée à une action intégrale pour une bnne précision de réglage sur le long terme.

Une vigilence particulière doit être apportée en cas d'arrêt du procédé régulé. L'action intégrale est basée sur un cumul dans le temps de l'écart à la consigne. Lorsque la mesure rejoint sa consigne, le cumul s'arrête naturellement. Mais si le procédé est durablement hors contrôle ou arrêté, si rien n'est fait, le cumul se poursuit pendant ce temps. A la reprise de l'activité du procédé, la sortie du régulateur pourra se trouver longtemps à son maximum, à cause de cela. On parle alors de saturation du régulateur. Diverses stratégies sont proposées par le constructeurs pour éviter ce phénomène:
 - limitation du cumul
 - effacement du cumul lors du passage en manuel du régulateur
 - ...

Les régulateurs capables d'une action intégrale ou dérivée sont exclusivement électroniques pour les équipement les plus récents, ou éventuellement pneumatiques pour les plus anciens.

Action proportionnelle, intégrale et dérivée (PID)

Une action PI est capable de correctement réguler tout procédé dont la réponse aux changements de réglage est rapide. Par contre, si la réponse du procédé est lente, le cumul d'action générée par l'action intégrale pendant ce temps de réaction risque de conduire à un excès. Le procédé pourrait alors devenir incontrôlable. Pour limiter ce phénomène on a recours à une action dérivée.
L'action dérivée est d'autant plus grande que la vitesse d'approche de la consigne est grande, même si la mesure en est encore éloignée. Ainsi si le procédé réagit dans le sens souhaité, l'action dérivée modèrera l'action intégrale en s'opposant à elle.

Le facteur de réglage de l'action dérivée s'exprime en unité de temps (minutes ou secondes).

Action Proportionelle et Dérivée (PD)

Il est une application dans les industries de procédé où l'action proportionnelle et dérivée peut être utile: le remplissage ou la vidange de capacités avec précision. Par définition lorsque le point de consigne est atteint, l'organe réglant doit être fermé. L'action intégrale est donc inutile.
Une action proportionnelle seule peut être suffisante si la réaction du système est rapide. Elle sera avantageusement complétée par une action dérivée si le système réagit plus lentement.

Algorithmes des régulateurs PID

Les algorithmes des régulateurs PID peuvent différer par l'arangement des fonctions proportionnelle, intégrale et dérivée entre elles. Il existe trois principales structures nommées:
 - interactive
 - non interactive
 - parallèle
Il est important de connaitre laquelle est utilisée car leur comportement peut varier sensiblement pour un même jeu de paramètres de réglage.

Structure parallèle

C'est sans doute la structure la plus académique, mais la moins utilisée en pratique. Chaque action est calculée indépendament les unes des autres et basée sur l'écart mesure-consigne puis sommées pour constituer le signal de sortie. Son principal inconvénient pratique est que la modification du gain ne se répercute pas sur les autres actions.

Structure série

Elle est aussi appelée interactive, classique ou réelle. C'est la plus ancienne car elle était utilisée dans  les anciens régulateurs pneumatiques ou électroniques. Les méthodes classiques d'ajustement des paramètres telles que la méthode de Ziegler-Nichols ont été développées pour cette structure. Dans cet algorithme, c'est l'action proportionnelle qui est répétée par l'action intégrale, et c'est la vitesse de variation des actions P et I cumulées qui est utilisée pour l'action dérivée. Le gain s'applique donc à l'ensemble du régulateur et non pas à la seule action proportionnelle.

Structure mixte

Elle est aussi appelée non interactive, idéale ou standard. C'est la plus courament utilisée dans les régulateurs numériques.
Dans cet algorithme, c'est l'action proportionnelle qui est répétée par l'action intégrale, et c'est la vitesse de variation de cette même actions proportionnelle qui est utilisée pour l'action dérivée. Pour les régulateurs sans action dérivée, les algorithmes des structures série et mixte sont équivalents. Là encore le gain s'applique à l'ensemble du régulateur et non pas à la seule action proportionnelle.

Stratégies de régulation

Régulation directe

C'est la manière la plus simple de concevoir une régulation. Elle est dite en boucle fermée (ou "feed back") puisque le résultat de l'action du régulateur est évalué en permanence et éventuellement corrigé par la comparaison continue de la mesure avec la consigne.

Régulateurs en cascade

Le point de consigne d'un régulateur peut provenir de la sortie d'un autre régulateur. Les régulateurs sont alors en cascade. Le régulateur attribuant à l'autre une consigne est nommé maître; le régulateur recevant sa consigne de l'autre est nommé esclave.
Par exemple, le régulateur de niveau d'un réservoir, au lieu de commander directement l'ouverture de la vanne de remplissage, peut régler le point de consigne d'un autre régulateur qui aura la charge d'ajuster le débit de remplissage en agissant sur cette vanne. Ainsi, la régulation de niveau du réservoir  ne sera plus perturbée par des variations de pression sur le réseau de fluide de remplissage.

Régulation à échelle partagée (split-range)

Un régulateur peut devoir commander plusieurs organes réglant. Pour cela, la plage de sortie du régulateur est divisée en zones, chacune étant affectée à la commande d'un organe.
Par exemple, de 0 à 50% le régulateur pourrait agir sur une vanne de faible capacité, et de 50 à 100% pourrait agir sur une vanne de grande capacité.
A 50%, la première vanne peut être totalement ouverte tandis que la seconde est totalement fermée. Le split-range est dit à actions complémentaires
Un autre exemple dans lequel le régulateur agit sur la vanne d'alimentation du bac et sur la vanne de soutirage. Tant que l'écart à la consigne est faible le régulateur agit sur la vanne de remplissage. Mais si le niveau ne peut être maintenu malgré une ouverture à 100% de la vanne de remplissage, la vanne de soutirage sera progressivement fermée. Le split-range est alors dit à actions antagonistes.

Régulation  de proportion (feed forward)

Dans une régulation de proportion la perturbation est mesurée (le débit de soutirage dans l'illustration ci-contre) et une correction est appliquée immédiatement à l'organe réglant par le proportionneur (FF). Ce type de régulation est dite en boucle ouverte car la correction est appliquée à priori sans vérification de son bien fondé ou de son efficacité. Cependant, le facteur de correction peut être ajusté par une autre régulation (ici la régulation de niveau LC) qui elle, prend en compte le résultat attendu qui est la stabilité du niveau.
Une telle conception est utile quand:
 - le résultat est difficile à mesurer
 - la réaction à la perturbation est si rapide et si importante qu'on souhaite agir au plus vite.

Régulation de substitution (override) 

La régulation de substitution est utile lorsqu'on souhaite réguler deux variables au moyen d'un seul organe réglant.
Dans l'exemple ci-contre le but de la régulation est de maintenir un niveau dans le bac aval et le bac amont en agissant sur la vanne de transfert entre les deux. La priorité est donnée au niveau du bac amont c'est-à-dire que si que si la consommation de liquide est trop importante, on préférera laisser baisser le niveau du bac aval pour préserver le niveau du bac amont.
La vanne est commandée par un calculateur (FY) qui compare les sorties des deux régulateurs de niveau, amont et aval. Il choisi en permanence la valeur la plus faible.
Ainsi si le niveau aval est trop faible, le régulateur tend à ouvrir la vanne (sortie tend vers 100%)
 - si le niveau amont est aussi trop faible, le régulateur tend à fermer la vanne (sortie tend vers 0%): la régulation du niveau amont est prioritaire et choisi de fermer la vanne pour préserver le niveau du bac amont
 - si le niveau amont est trop élevé, le régulateur tend lui aussi à ouvrir la vanne (sortie tend vers 100%): la régulation joue son rôle premier qui est d'alimenter le bac aval.
Maintenant si le niveau aval est trop élevé, le régulateur tend à fermer la vanne (sortie tend vers 0%)
 - si le niveau amont est trop élevé, le régulateur tend à ouvrir la vanne (sortie tend vers 100%): la régulation de niveau du bac aval est prioritaire et protège le bac aval d'un débordement
 - si le niveau amont est trop faible, le régulateur tend à fermer la vanne (sortie tend vers 0%): la régulation à la fois protège le bac aval d'un débordement et préserve le niveau amont.

Représentation schématique

La symbolisation de l'instrumentation et des régulations est décrite dans la norme NF E 04-203. Elle reprend l'essentiel des normes internationales qui sont pour la plupart d'origine anglo-saxonne et en particulier la norme américaine ISA 5.1. C'est pourquoi les symboles alphabétiques trouvent leur origine dans la langue anglaise.
Les éléments d'instrumentation et de régulation sont représentés sur les schémas par des cercles dans lesquels sont insérés:
 - une série de lettres signifiant sa fonction (ex: PDIC pour un indicateur et régulateur de pression différentielle)
 - des numéros servant de repère
Exemple:
11-FRC-1234
avec:
11: numéro de l'atelier de production
FRC: régulateur de débit avec enregistrement
1234: repère de la boucle de régulation

Les lettres ont la signification suivante:
Les fonctions passives I pour Affichage (Indicate) et R pour Enregistreur (Record) sont un peu dépassées avec les technologies modernes de conduite des procédés. Elles correspondent à des architectures de conduite en tableau droit où l'espace était limité. Les paramètres pouvaient être seulement affichés ou bien seulement enregistrés sur papier déroulant ou encore être seulement utilisés dans un ensemble de régulation sans affichage ni enregistrement.
Avec les systèmes de conduite numériques actuels, tous les paramètres retransmis en salle de contrôle peuvent être affichés à la demande et sont systématiquement enregistrés.