Maîtriser les Contrôleurs PID : Équilibrer Actions Proportionnelle, Intégrale et Dérivée

L'industrie du contrôle de processus est fortement dominée par les contrôleurs proportionnel-intégral-dérivé (PID), cependant même ces composants merveilleux ont leurs propres limitations. Le comportement des boucles PID est difficile à comprendre, ce qui empire chaque fois qu'une panne survient et que le dépannage est requis. Néanmoins, techniciens et ingénieurs s'efforcent d'atteindre la cohérence entre les trois blocs de construction du contrôleur, c'est-à-dire les actions proportionnelle, intégrale et dérivée.

Lorsque les contrôleurs ont été introduits pour la première fois, ils étaient proportionnels uniquement, et même si cela les rendait faciles à comprendre, ils étaient bientôt incapables de gérer les erreurs. Ces contrôleurs avaient tendance à abandonner trop tôt chaque fois que des erreurs devaient être éliminées entre la variable de processus et le point de consigne. Cela a conduit à l'ajout de l'action intégrale au « contrôleur proportionnel » précédent.

Action Intégrale

Les opérateurs ont vite découvert qu'ils pouvaient compenser l'affaissement résultant de l'action proportionnelle faiblissante par l'addition manuelle de biais à l'effort de contrôle, suffisant pour combler l'infime 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 », cependant, la réinitialisation automatique a été introduite bientôt, éliminant le délai 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 tend à pousser le contrôleur à générer un effort de contrôle agressif. Mais voici le problème : l'action intégrale continue de croître aussi longtemps que l'erreur persiste, contrairement à l'action proportionnelle qui a tendance à s'amortir à mesure que l'erreur diminue.

Cela peut sembler favorable, mais a en fait ses propres problèmes. Par exemple, si le processus contrôlé est lent, l'erreur prendra un certain temps à disparaître tandis que le contrôleur emploiera des actions intégrales agressives pour l'éliminer. Si l'opérateur règle le taux de réinitialisation trop haut, le contrôleur surcompensera l'erreur, résultant en une erreur encore plus grande dans la direction négative, menant à des cycles de chasse aller-retour jusqu'à ce que l'erreur soit complètement éliminée.

Enroulement de Réinitialisation (Reset Windup)

L'action intégrale est mieux adaptée aux applications où un processus a un actionneur trop petit pour produire un grand effort de contrôle. Par exemple, si une vanne est trop petite pour générer un débit assez élevé, quand un brûleur n'est pas assez grand pour fournir suffisamment de chaleur, etc. Chaque fois que de telles situations surviennent, l'actionneur est dit saturé à une valeur limite.

Cette saturation mène finalement à des erreurs positives entre le point de consigne et la variable de processus. L'action intégrale continue d'être plus agressive, mais l'actionneur fait goulot d'étranglement et empêche la rectification de l'erreur. Pendant le temps où l'actionneur sera bloqué à 100 %, l'erreur intégrée totale 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 de consigne à une plage réalisable.

Plusieurs solutions ont été conçues et implémentées pour protéger le contrôleur contre l'enroulement de réinitialisation, la plupart impliquant l'arrêt de l'intégrateur.

Action Dérivée

L'action dérivée d'un contrôleur PID agit comme une bénédiction mitigée, diminuant l'effort de contrôle en proportion du taux de changement de l'erreur afin que la descente de la variable de processus vers le point de consigne puisse être décélérée. Cela réduit les chances de dépassement et de chasse. Mais, si l'action dérivée s'enclenche trop agressivement, elle peut causer la chasse par elle-même. Cet effet est couramment observé dans les processus qui répondent rapidement aux efforts du contrôleur, par exemple moteurs et robotique.

L'action dérivée peut également ajouter un pic soudain à l'effort de contrôle chaque fois que l'erreur change abruptement. Cela force le contrôleur à l'action, même avant que les parties proportionnelle ou intégrale du PID ne puissent entrer en action. En comparaison avec un contrôleur PI à deux termes, un contrôleur PID complet à trois termes peut anticiper le niveau d'effort requis pour maintenir la variable de processus stable.

Bien que ce contrôle prédictif soit 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 du four.

Correctifs

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

• Protection contre l'enroulement de réinitialisation
• Calculateur d'action dérivée
• Filtrage du bruit

Une technique particulière qui a grandement amélioré la précision du contrôleur PID est le réglage de boucle. Cela, en soi, est l'art de sélectionner des valeurs appropriées pour les gains proportionnel, intégral et dérivé, atteignant ainsi une réponse rapide aux changements de variable de processus. La technique a été complétée par de nombreuses méthodologies ainsi que soutenue par une pléthore de packages logiciels afin d'assurer une stabilité maximale dans le système.

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