Les trois visages du PID

L'industrie du contrôle de processus est fortement dominée par les contrôleurs proportionnels-intégraux-dérivés (PID) , mais même ces merveilleux composants ont leurs propres limites. Le comportement du PID boucles est difficile à comprendre, quelque chose qui s'aggrave chaque fois qu'un défaut survient et qu'un dépannage est nécessaire. Néanmoins, les techniciens et les ingénieurs s'efforcent d'assurer la cohérence entre les trois éléments constitutifs du contrôleur, à savoir les actions proportionnelles, intégrales et dérivées.

Lorsque les contrôleurs ont été introduits pour la première fois, ils étaient uniquement proportionnels, et même si cela les rendait faciles à comprendre, ils ont rapidement été incapables de gérer les erreurs. Ces contrôleurs avaient tendance à s'arrêter trop tôt chaque fois qu'il fallait éliminer des erreurs entre la variable de procédé et le point de consigne. Cela a conduit à l'ajout d'une action intégrale au sein de l'ancien "contrôleur proportionnel".

Action Intégrale

Les opérateurs ont rapidement découvert qu'ils pouvaient compenser le statisme résultant d'une action proportionnelle décroissante en ajoutant manuellement une polarisation à l'effort de contrôle, suffisamment pour surmonter le minuscule écart entre la variable de processus et le point de consigne. Cela est devenu connu sous le nom de "réinitialisation" de la boucle.

Au début, les opérateurs étaient chargés d'effectuer cette « réinitialisation », mais bientôt, la réinitialisation automatique a été introduite, éliminant le retard résultant des interventions manuelles. Aujourd'hui, cette réinitialisation automatique est appelée action intégrale, tandis que le gain qui détermine l'amplitude de la réponse requise est parfois appelé "taux de réinitialisation". Tant que la variable de processus et le point de consigne diffèrent, un taux de réinitialisation élevé a tendance à pousser le contrôleur à générer un effort de contrôle agressif . Mais voici le problème, l'action intégrale continue de croître tant que l'erreur persiste, contrairement à l'action proportionnelle qui a tendance à s'atténuer à mesure que l'erreur minimise.

Cela peut sembler favorable, mais a en fait ses propres problèmes. Par exemple, si le processus contrôlé est lent, l'erreur mettra un certain temps à disparaître tandis que le contrôleur emploiera des actions intégrales agressives pour l'éliminer. Si l'opérateur définit le taux de réinitialisation trop élevé, le contrôleur surcompensera l'erreur, ce qui entraînera une erreur encore plus grande dans le sens négatif, entraînant des cycles de recherche de va-et-vient jusqu'à ce que l'erreur soit complètement éliminée.

Réinitialiser la liquidation

L'action intégrale est mieux adaptée aux applications où un processus a un actionneur trop petit pour produire un effort de contrôle important. Par exemple, si une vanne est trop petite pour générer un débit suffisamment élevé, lorsqu'un brûleur n'est pas assez grand pour fournir suffisamment de chaleur, etc. Chaque fois que de telles situations se présentent, l'actionneur est dit saturé au niveau d'une vanne de limitation.

Cette saturation conduit finalement à des erreurs positives entre le point de consigne et la variable de procédé. L'action intégrale continue d'être plus agressive, mais l'actionneur goulot d'étranglement, et empêche la rectification de l'erreur. Pendant le temps où l'actionneur sera bloqué à 100%, l'erreur totale intégrée aura atteint une valeur énorme. Cela forcera le contrôleur dans un état non réactif et empêchera l'opérateur de corriger l'erreur en réduisant le niveau du point de consigne à une plage réalisable.

Plusieurs solutions ont été conçues et mises en œuvre pour protéger le contrôleur contre les réinitialisations, la plupart d'entre elles impliquant l'arrêt de l'intégrateur.

Action dérivée

L'action dérivée d'un contrôleur PID agit comme un bienfait mitigé, diminuant l'effort de contrôle proportionnellement au taux de variation de l'erreur afin que la descente de la variable de processus vers le point de consigne puisse être ralentie. Cela réduit les risques de dépassement et de chasse . Mais si l'action dérivée se produit de manière trop agressive, elle peut provoquer la chasse d'elle-même. Cet effet est couramment observé dans les processus qui réagissent rapidement aux efforts du contrôleur, par ex. moteurs et robotique.

L'action dérivée peut également ajouter un pic soudain à l'effort de contrôle chaque fois que l'erreur change brusquement. Cela force le contrôleur à agir, avant même que les parties proportionnelles ou intégrales du PID puissent entrer en action. Par rapport à un contrôleur PI à deux termes, un contrôleur PID complet à trois termes peut anticiper le niveau d'effort qui serait nécessaire pour maintenir la variable de procédé stable.

Alors qu'un tel contrôle prédictif est bénéfique dans certaines applications, il n'est pas favorable dans d'autres. Par exemple, un souffle d'air chaud ne sera pas confortable pour les occupants d'une pièce ou, à l'échelle industrielle, le mur de la fournaise.

Corrections

Les contrôleurs PID modernes visent à résoudre tous ces problèmes. Certaines caractéristiques communes des contrôleurs PID d'aujourd'hui incluent :

• Réinitialiser la protection anti-remontée
• Calculateur d'action dérivée
• Filtrage du bruit

Une technique particulière qui a considérablement amélioré la précision du contrôleur PID est le réglage en boucle. Ceci en soi est l'art de sélectionner des valeurs appropriées pour les gains proportionnels, intégraux et dérivés, obtenant ainsi une réponse rapide aux changements de variables de processus. La technique a été complétée par de nombreuses méthodologies ainsi que soutenue par une pléthore de progiciels afin d'assurer une stabilité maximale au sein du système.

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