Contrôleurs PID :l'épine dorsale de l'automatisation industrielle moderne

Les contrôleurs proportionnels-intégraux-dérivés (PID) sont utilisés aujourd'hui dans la plupart des applications de contrôle de processus automatique dans l'industrie pour réguler le débit, la température, la pression, le niveau et de nombreuses autres variables de processus industriel.

Ils remontent à 1939, lorsque les sociétés d'instruments Taylor et Foxboro ont introduit les deux premiers contrôleurs PID. Tous les contrôleurs actuels sont basés sur ces modes proportionnels, intégraux et dérivés d'origine.

Les contrôleurs PID sont la bête de somme des systèmes de contrôle de processus modernes, car ils automatisent les tâches de régulation qui autrement devraient être effectuées manuellement. Bien que le mode de contrôle proportionnel soit la principale force motrice d’un contrôleur, chaque mode remplit une fonction unique. Les modes de contrôle proportionnel et intégral sont essentiels pour la plupart des boucles de contrôle, tandis que le mode dérivé est excellent pour le contrôle de mouvement. Le contrôle de la température est une application typique qui utilise les trois modes de contrôle.

Contrôle manuel

Figure 1. Opérateur effectuant un contrôle manuel

Sans contrôleur PID, le contrôle manuel de la température de l'eau est un processus fastidieux. Par exemple, pour maintenir une température constante de l'eau évacuée d'un appareil de chauffage industriel au gaz, un opérateur doit surveiller une jauge de température et régler une vanne de gaz combustible en conséquence (Figure 1). Si la température de l'eau devient trop élevée, l'opérateur doit fermer le robinet de gaz juste assez pour ramener la température à la valeur souhaitée. Si l'eau devient trop froide, il doit ouvrir le robinet de gaz.

La tâche de contrôle effectuée par l'opérateur est appelée contrôle par rétroaction, car l'opérateur modifie la cadence de cuisson en fonction du retour d'information du processus via la jauge de température. L'opérateur, la vanne, le processus et la jauge de température forment une boucle de contrôle. Toute modification apportée par l'opérateur à la vanne de gaz affecte la température, qui est renvoyée à l'opérateur, fermant ainsi la boucle.

Contrôle automatique

Pour automatiser le contrôle de la température avec un contrôleur PID, les éléments suivants sont requis :

• Installer un appareil électronique de mesure de la température
• Automatisez la vanne en ajoutant un actionneur (et éventuellement un positionneur) afin qu'elle puisse être pilotée électroniquement
• Installez un contrôleur et connectez-le au dispositif de mesure de la température et à la vanne de régulation automatisée

Figure 2. Contrôleur PID effectuant un contrôle automatique

L’opérateur règle le point de consigne (SP) du contrôleur PID à la température souhaitée et la sortie du contrôleur (CO) définit la position de la vanne de régulation. La mesure de température, appelée variable de procédé (PV), est ensuite transmise au contrôleur PID, qui la compare au point de consigne et calcule la différence, ou erreur (E), entre les deux signaux. En fonction de l'erreur et des constantes de réglage du contrôleur, le contrôleur calcule la sortie appropriée du contrôleur pour régler la vanne de régulation dans la position correcte afin de maintenir la température au point de consigne (Figure 2). Si la température dépasse son point de consigne, le contrôleur réduira la position de la vanne et vice versa.

Chacun des trois modes du contrôleur réagit différemment à l’erreur. La quantité de réponse produite par chaque mode de contrôle est réglable en modifiant les paramètres de réglage du contrôleur.

Mode de contrôle proportionnel

Le mode de contrôle proportionnel modifie la sortie du contrôleur proportionnellement à l'erreur. Si l'erreur augmente, l'action de contrôle augmente proportionnellement.

Le paramètre réglable pour le contrôle proportionnel est appelé gain du contrôleur (Kc). Un gain de contrôleur plus élevé augmente la quantité d'action de contrôle proportionnelle pour une erreur donnée. Si le gain du contrôleur est réglé trop haut, la boucle de contrôle commencera à osciller et deviendra instable. Si elle est réglée trop bas, la boucle de contrôle ne répondra pas de manière adéquate aux perturbations ou aux changements de point de consigne.

Pour la plupart des contrôleurs, le réglage du gain du contrôleur influence le degré de réponse dans les modes de contrôle intégral et dérivé.

Le contrôleur proportionnel uniquement

Un contrôleur PID peut être configuré pour produire uniquement une action proportionnelle en désactivant les modes intégral et dérivé. Les contrôleurs proportionnels sont simples à comprendre et faciles à régler :la sortie du contrôleur est simplement l'erreur de contrôle multipliée par le gain du contrôleur, plus une polarisation. La polarisation est nécessaire pour que le contrôleur puisse maintenir une sortie non nulle tandis que l'erreur est nulle (variable de processus au point de consigne). L’inconvénient est la compensation, qui constitue une erreur persistante qui ne peut être éliminée par le seul contrôle proportionnel. Sous contrôle proportionnel uniquement, le décalage restera présent jusqu'à ce que l'opérateur modifie manuellement la polarisation sur la sortie du contrôleur pour supprimer le décalage. C'est ce qu'on appelle une réinitialisation manuelle du contrôleur.

Mode de contrôle intégré

Figure 3. (à gauche) L'algorithme du contrôleur PID non interactif ; (à droite) l'algorithme du contrôleur PID parallèle

La nécessité d’une réinitialisation manuelle a conduit au développement d’une réinitialisation automatique, connue sous le nom de mode de contrôle intégral. La fonction du mode de contrôle intégral est d'augmenter ou de décrémenter la sortie du contrôleur au fil du temps pour réduire l'erreur, tant qu'une erreur est présente (la variable de processus n'est pas au point de consigne). Avec suffisamment de temps, l'action intégrale pilotera la sortie du contrôleur jusqu'à ce que l'erreur soit nulle.

Si l'erreur est importante, le mode intégral incrémentera/décrémentera la sortie du contrôleur à un rythme rapide ; si l’erreur est petite, les changements seront lents. Pour une erreur donnée, la vitesse de l’action intégrale est définie par le réglage du temps intégral (Ti) du contrôleur. Si le temps d'intégration est trop long, le contrôleur sera lent ; s'il est réglé trop court, la boucle de contrôle oscillera et deviendra instable.

La plupart des contrôleurs utilisent le temps intégral en minutes comme unité de mesure pour le contrôle intégral. Certains utilisent le temps intégral en secondes, et quelques contrôleurs utilisent le gain intégral (Ki) en répétitions par minute.

Contrôleur proportionnel + intégré

Communément appelé contrôleur PI, la sortie du contrôleur proportionnel + intégral est constituée de la somme des actions de contrôle proportionnel et intégral.

Après une perturbation, le mode intégral continue d'incrémenter la sortie du contrôleur jusqu'à ce qu'il ait éliminé tout décalage et ramené la température de sortie du réchauffeur à son point de consigne.

Mode de contrôle dérivé

Le contrôle dérivé est rarement utilisé dans le contrôle des processus, bien qu'il soit souvent utilisé dans le contrôle de mouvement. Il est très sensible au bruit de mesure, rend les réglages par essais et erreurs plus difficiles et n'est pas absolument nécessaire pour le contrôle du processus. Cependant, l'utilisation du mode dérivé d'un contrôleur peut faire en sorte que certains types de boucles de contrôle (le contrôle de la température, par exemple) réagissent plus rapidement qu'avec le contrôle PI seul.

Le mode de contrôle dérivé produit une sortie basée sur le taux de variation de l'erreur. Cela produit davantage d'actions de contrôle si l'erreur change plus rapidement ; s'il n'y a pas de changement dans l'erreur, l'action dérivée est nulle. Ce mode a un paramètre réglable appelé Derivative Time (Td). Plus le réglage du temps de dérivée est grand, plus l'action dérivée est produite. Cependant, si le temps de dérivée est trop long, des oscillations se produiront et la boucle de contrôle sera instable. Un réglage Td de zéro désactive effectivement le mode dérivé. Deux unités de mesure sont utilisées pour le réglage dérivé d'un contrôleur :les minutes et les secondes.

Contrôleur proportionnel + intégral + dérivé

Figure 4. Réponse des contrôleurs P, PI et PID à une perturbation

La sortie d'un contrôleur PID est constituée de la somme des actions de contrôle proportionnelles, intégrales et dérivées. Les algorithmes de contrôle PID existent sous différentes conceptions, notamment l'algorithme non interactif et l'algorithme parallèle. Les deux sont illustrés dans la figure 3.

Dans un contrôleur PID, le mode dérivé fournit plus d'actions de contrôle plus tôt que ce qui est possible avec le contrôle P ou PI. Cela réduit l'effet d'une perturbation et raccourcit le temps nécessaire pour que le niveau revienne à son point de consigne.

La figure 4 compare le temps de récupération de la température de sortie du réchauffeur de procédé après un changement soudain de la pression du gaz combustible sous contrôle P, PI et PID.

Réglage du contrôleur

Les contrôleurs PID nécessitent un réglage, mais lorsqu’ils sont arrivés sur le marché, il n’existait aucune instruction claire sur la manière de procéder. Le réglage a été effectué par essais et erreurs jusqu'en 1942, lorsque deux méthodes de réglage ont été publiées par J. G. Ziegler et N. B. Nichols de la Taylor Instruments Company.

Ces règles de réglage fonctionnent bien sur les processus avec des constantes de temps très longues par rapport à leurs temps morts et sur les boucles de contrôle de niveau, qui contiennent un processus intégrateur. Ils ne fonctionnent pas bien sur les boucles de contrôle qui contiennent des processus d'autorégulation, tels que le débit, la température, la pression, la vitesse et la composition.

Un processus autorégulé se stabilise toujours à un certain point d'équilibre, qui dépend de la conception du processus et de la sortie du contrôleur ; si la sortie du contrôleur est réglée sur une valeur différente, le processus répondra et se stabilisera à un nouveau point d'équilibre.

La plupart des boucles de contrôle contiennent des processus d’autorégulation et des méthodes de réglage ont été développées à cet effet. Les règles de réglage Cohen-Coon, par exemple, fonctionnent bien sur pratiquement toutes les boucles de contrôle dotées de processus autorégulés. Ces règles ont été initialement conçues pour donner une réponse très rapide, mais cela a abouti à des boucles avec une réponse oscillatoire élevée. Avec une légère modification des règles, les boucles de contrôle répondent toujours rapidement mais sont beaucoup moins sujettes aux oscillations. Il existe aujourd'hui plus de 100 méthodes de réglage des contrôleurs, chacune étant conçue pour atteindre un certain objectif.

Conclusion

Les systèmes de contrôle de processus modernes ne pourraient exister sans les contrôleurs PID, car toutes les fonctions de contrôle devraient être effectuées manuellement. Chacun des modes de contrôle proportionnel, intégral et dérivé remplit une fonction unique, et des règles de réglage ont été développées pour garantir un contrôle de processus efficace pour tous les types de boucles et d'applications.

Cet article a été rédigé par Lee Payne, PDG de Dataforth Corporation, Tucson, Arizona. Pour plus d'informations, cliquez ici  .

Ressources

Pour plus d’informations sur le système d’acquisition et de contrôle de données industrielles MAQ®20 de Dataforth, téléchargez le catalogue. 

Références

• an122 : Introduction au contrôle PID
• an123 : Ajustement des boucles de contrôle pour une réponse rapide
• an124 : Ajustement des boucles de contrôle avec la méthode de réglage IMC
• an125 : Réglage des boucles de contrôle de niveau
• an126 : Réglage des boucles de contrôle du niveau du réservoir anti-surtension