Prévenir le windup de réinitialisation PID : stratégies pour un contrôle de processus fiable

Le PID a servi l'industrie du contrôle de processus depuis bien plus d'une décennie et s'est solidifié comme la technique primaire pour les systèmes de contrôle par rétroaction. Au fil des ans, la technique a vu un certain nombre de mises à niveau et améliorations, ouvrant la voie à des dispositifs pneumatiques, électroniques et informatiques, assurant un contrôle plus serré sur les processus.

L'une des premières percées dans les systèmes PID a été l'action intégrale, aussi connue sous le nom de réinitialisation automatique, qui a significativement amélioré la performance des contrôleurs équipés d'une action proportionnelle. Un contrôleur « P-seul » applique un effort correctif proportionnel à la différence entre la valeur mesurée et le point de consigne, ce qui peut se résumer ainsi :

• Si la différence ou l'erreur augmente, le contrôleur P-seul répond avec un effort de contrôle positif pour réduire la différence.
• Si la différence diminue, le contrôleur injecte un effort de contrôle négatif.

L'implémentation entière est facile à comprendre et maintenir mais comporte le défaut de longévité, signifiant qu'à mesure que l'erreur diminue, l'effort de contrôle diminue aussi. Cela ralentit le taux auquel l'erreur est diminuée, augmentant le temps global pris pour que l'erreur cesse. Mais l'erreur ne cesse jamais d'exister non plus, le contrôleur P laissant le processus avec un léger décalage.

Cette erreur d'état stable est corrigée par l'action intégrale qui opère en parallèle au contrôleur P, assurant que l'effort de contrôle reste tant que l'erreur a une valeur non-nulle. Cela compose le contrôleur PI. Bien que ce contrôleur assure un effort constant pour éliminer l'erreur, il donne naissance à d'autres problèmes. Le problème le plus important qui surgit est l'instabilité en boucle fermée, avec l'action intégrale causant le dépassement de la variable de processus par rapport au point de consigne désiré. Ce problème devient exceptionnellement nuisible si le processus de contrôle est hautement sensible, causant le dépassement à créer une erreur encore plus grande dans la direction opposée. Cela déclenche un autre processus d'élimination d'erreur.

Pour rectifier cela, les ingénieurs utilisent des techniques analytiques pour déterminer les gains intégraux et proportionnels qui conviendraient parfaitement au processus.

L'erreur de Windup de Réinitialisation

Si un grand effort de contrôle est utilisé pour atténuer une erreur de magnitude significative pour un processus dont l'actionneur est trop petit, le résultat est le windup de réinitialisation. L'actionneur se sature à une valeur spécifique correspondant à sa sortie maximale, incapable d'affecter le processus davantage. L'opérateur peut essayer d'atténuer le problème en réduisant la valeur du point de consigne pour qu'elle tombe dans la plage que l'actionneur peut atteindre, mais cela ne fonctionnera pas. Pourquoi ? Parce qu'à ce moment, l'erreur intégrée aurait atteint une valeur énorme, et le contrôleur essaierait continuellement d'obtenir de l'actionneur une réponse plus haute que sa limite supérieure.

Cependant, si le point de consine est abaissé suffisamment bas, l'erreur intégrée commencera à diminuer. Cela devrait être combiné avec une série d'erreurs négatives pour annuler l'effet des erreurs positives accumulées pendant le temps où l'actionneur était dans l'état saturé.

Une autre façon de se débarrasser de cette erreur est d'installer un actionneur assez grand pour produire un changement requis pour le processus sans saturer.

La Correction par Pré-chargement

Le windup de réinitialisation peut aussi avoir lieu si l'actionneur est éteint pendant que le contrôleur est allumé. Par exemple, dans le cas d'un contrôleur en cascade, si la boucle interne est en mode manuel, elle n'aurait aucun effet sur le contrôleur de boucle externe. Si le contrôleur de boucle externe continue d'opérer, son action intégrale « s'enroulerait ».

Une solution simple à ce problème est que chaque fois que l'actionneur ne tourne pas, l'intégrateur du contrôleur devrait être éteint. Une autre solution est d'ajuster le point de consine à la valeur de la variable de processus entre les lots. Mais, il y a de meilleures méthodes pour corriger le windup de réinitialisation.

Dans un scénario de pré-chargement, la sortie de l'intégrateur du contrôleur est fixée pour que le processus démarre le prochain lot avec l'erreur qu'il a acquise du lot précédent. Avec le pré-chargement, la réinitialisation peut continuer directement depuis le lot précédent, réduisant le temps requis pour se stabiliser à un état constant.

Cela fonctionne mieux si les lots sont identiques pour que le contrôleur doive obtenir le même point de consine à chaque fois. Si les lots ne sont pas identiques, alors un modèle mathématique doit être utilisé pour prédire l'action intégrale requise pour le prochain tour. Cette approche fonctionne pour un processus continu si modélisée avant de démarrer le processus.

La Correction par Transfert Sans À-Coup (Bumpless Transfer)

Cependant, le pré-chargement peut mener à quelques accrocs. Un problème potentiel est l'ajustement brutal de la sortie de l'actionneur une fois que chaque tour commence, ce qui peut endommager l'actionneur. De même, quand le contrôleur est commuté du mode automatique au mode manuel et vice versa, toute tentative de l'opérateur pour modifier l'effort de contrôle peut aussi endommager l'actionneur.

Le Transfert Sans À-Coup utilise un pré-chargement artificiel pour résoudre ces accrocs. L'intégrateur est chargé avec la valeur requise pour redémarrer les opérateurs, éliminant le besoin de changer l'effort de contrôle. Le contrôleur devrait encore tenir compte des changements dans la variable de processus ou le point de consine, mais il y aurait moins de bosse lors du passage au mode automatique.

Complications du Temps Mort

Le temps mort est le temps pris par la variable de processus pour s'ajuster après un changement dans l'effort de contrôle. Cela arrive quand le capteur de variable est trop en aval de l'actionneur. Peu importe à quel point le contrôleur essaie, il ne peut pas alléger l'erreur jusqu'à ce que les paramètres physiques du capteur changent.

Alors que le contrôleur tente de corriger les erreurs, tanto l'erreur que la variable de processus cessent de bouger, résultant en une action intégrale enroulée comme si l'actionneur était éteint. Une solution à cela est de diminuer le gain intégral, ce qui abaisserait l'action intégrale maximale due au windup et éliminerait le temps mort.

Le problème peut aussi être résolu en émettant l'action intégrale avec un temps mort, donnant au windup un temps tampon pour s'apaiser. Une façon d'améliorer cette technique est d'ajouter des intervalles intermittents à l'action intégrale. Laisser l'action proportionnelle travailler pendant un certain temps et puis activer l'action intégrale peut raccourcir le temps requis pour que l'erreur soit zéro.

Ceci n'est qu'un exemple d'utilisation du PID. Les algorithmes PID ont été grandement modifiés pour prendre en compte les actionneurs à vitesse limitée, le bruit de mesure de variable de processus, les modèles de processus variables dans le temps, et ainsi de suite.

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