Qu'est-ce que la régulation PID ? 

Le principe de fonctionnement d'un contrôleur PID

Comme son nom l'indique, cet article va donner une idée précise de la structure et du fonctionnement du contrôleur PID. Cependant, pour entrer dans les détails, voyons une introduction aux contrôleurs PID.

Les contrôleurs PID sont utilisés dans une large gamme d'applications pour le contrôle de processus industriels. Environ 95% des opérations en boucle fermée du secteur de l'automatisation industrielle utilisent des contrôleurs PID. PID signifie Proportional-Integral-Derivative. Ces trois contrôleurs sont combinés de manière à produire un signal de contrôle.

En tant que contrôleur de retour, il délivre la sortie de contrôle aux niveaux souhaités. Avant que les microprocesseurs aient été inventés, le contrôle PID était implémenté par les composants électroniques analogiques. Mais aujourd'hui, tous les contrôleurs PID sont traités par les microprocesseurs. Les automates programmables ont également les instructions intégrées des automates PID. En raison de la flexibilité et de la fiabilité des contrôleurs PID, ceux-ci sont traditionnellement utilisés dans les applications de contrôle de processus.

Fonctionnement du contrôleur PID

Avec l’utilisation d’un contrôleur ON-OFF simple et peu coûteux, deux états de contrôle sont possibles, comme complètement ou complètement éteint. Il est utilisé pour une application de contrôle limité où ces deux états de contrôle suffisent à l'objectif de contrôle. Cependant, la nature oscillante de cette commande limite son utilisation et est donc remplacée par des contrôleurs PID.

Le contrôleur PID maintient la sortie de sorte qu'il n'y ait aucune erreur entre la variable de processus et le point de consigne / la sortie souhaitée lors d'opérations en boucle fermée. Le PID utilise trois comportements de contrôle de base qui sont expliqués ci-dessous.

Schéma régulation PID


Régulateur - P : 

Impact régulation P (uniquement proportionnelle)

Le contrôleur proportionnel ou P donne une sortie proportionnelle à l'erreur de courant e (t). 
Il compare le point souhaité ou le point de consigne à la valeur réelle ou à la valeur du processus de retour. L'erreur résultante est multipliée par la constante proportionnelle pour obtenir la sortie. Si la valeur d'erreur est égale à zéro, la sortie du contrôleur est égale à zéro.

Ce contrôleur nécessite une polarisation ou une réinitialisation manuelle lorsqu'il est utilisé seul. C'est parce qu'il n'atteint jamais la condition d'état stable. Il fournit un fonctionnement stable mais maintient toujours l'erreur d'état stable. La vitesse de la réponse augmente lorsque la constante proportionnelle Kc augmente.




Régulateur - PI :

Impact régulation PI ( Proportionnelle + Intégrale )En raison de la limitation du contrôleur p lorsqu'il existe toujours un décalage entre la variable de processus et le point de consigne, le contrôleur I est nécessaire, ce qui fournit l'action nécessaire pour éliminer l'erreur d'état stable. Il intègre l'erreur sur une période de temps jusqu'à ce que la valeur d'erreur atteigne zéro. Il contient la valeur du dispositif de contrôle final auquel l'erreur devient zéro.

Le contrôle intégral diminue sa sortie en cas d'erreur négative. Cela limite la vitesse de réponse et affecte la stabilité du système. La vitesse de la réponse est augmentée en diminuant le gain intégral Ki.

Dans la figure ci-dessus, au fur et à mesure que le gain du contrôleur I diminue, l'erreur en régime permanent diminue également. Dans la plupart des cas, le contrôleur PI est utilisé notamment lorsqu'une réponse à grande vitesse n'est pas requise.

Lors de l'utilisation du contrôleur PI, la sortie du contrôleur I est limitée à une certaine distance afin de surmonter les conditions d' enroulement intégral, la sortie intégrale augmentant même à l'état d'erreur zéro, en raison des non-linéarités de l'installation.



Régulateur - PID :

Impact régulation PID ( Proportionnelle + Intégrale + Dérivée )I-controller n'a pas la capacité de prédire le comportement futur des erreurs. Donc, il réagit normalement une fois le point de consigne modifié. D-controller surmonte ce problème en anticipant le comportement futur de l'erreur. Sa sortie dépend du taux de variation de l'erreur par rapport au temps, multiplié par la constante dérivée. Il donne le coup d'envoi pour la sortie, augmentant ainsi la réponse du système.

Dans la figure ci-dessus, la réponse du contrôleur D est supérieure à celle du contrôleur PI et le temps d'établissement de la sortie est également diminué. Il améliore la stabilité du système en compensant le déphasage causé par le contrôleur I. L'augmentation du gain dérivé augmente la vitesse de réponse.

Nous avons donc finalement constaté qu’en combinant ces trois contrôleurs, nous pouvions obtenir la réponse souhaitée pour le système. Différents fabricants conçoivent différents algorithmes PID.


Méthodes de réglage du contrôleur PID

Avant que le contrôleur PID fonctionne, il doit être adapté à la dynamique du processus à contrôler. Les concepteurs donnent les valeurs par défaut pour les termes P, I et D. Ces valeurs ne pouvaient pas donner les performances souhaitées et entraînaient parfois une instabilité et des performances de contrôle lentes. Différents types de méthodes de réglage sont développés pour régler les contrôleurs PID et nécessitent une attention particulière de la part de l’opérateur afin de sélectionner les meilleures valeurs de gains proportionnel, intégral et dérivé. Certains d'entre eux sont donnés ci-dessous.

Méthode d'essai et d'erreur: Il s'agit d'une méthode simple de réglage du contrôleur PID. Lorsque le système ou le contrôleur fonctionne, nous pouvons régler le contrôleur. Dans cette méthode, nous devons d’abord régler les valeurs Ki et Kd sur zéro et augmenter le terme proportionnel (Kp) jusqu’à ce que le système atteigne un comportement oscillant. Une fois qu'il oscille, ajustez Ki (terme intégral) pour que les oscillations s'arrêtent, puis ajustez D pour obtenir une réponse rapide.

Technique de courbe de réaction de processus: Il s'agit d'une technique de réglage en boucle ouverte. Il produit une réponse lorsqu'une entrée étape est appliquée au système. Initialement, nous devons appliquer manuellement certaines sorties de contrôle au système et enregistrer la courbe de réponse.

Après cela, nous devons calculer la pente, le temps mort, le temps de montée de la courbe et enfin substituer ces valeurs aux équations P, I et D pour obtenir les valeurs de gain en termes de PID.

Méthode Zeigler-Nichols: Zeigler-Nichols a proposé des méthodes en boucle fermée pour le réglage du contrôleur PID. Celles-ci sont une méthode de cycle continu et une méthode d’oscillation amortie. Les procédures pour les deux méthodes sont identiques mais le comportement en oscillation est différent. Pour cela, nous devons d’abord définir la constante du contrôleur p, Kp, sur une valeur particulière, tandis que les valeurs de Ki et Kd sont égales à zéro. Le gain proportionnel est augmenté jusqu'à ce que le système oscille à une amplitude constante.

Le gain pour lequel le système produit des oscillations constantes est appelé gain ultime (Ku) et la période d'oscillations est appelée période ultime (Pc). Une fois atteint, nous pouvons entrer les valeurs de P, I et D dans le contrôleur PID grâce au tableau de Zeigler-Nichols qui dépend du contrôleur utilisé, tel que P, PI ou PID, comme indiqué ci-dessous.

Structure du contrôleur PID

Le contrôleur PID comprend trois termes, à savoir contrôle proportionnel, contrôle intégral et contrôle dérivé. Le fonctionnement combiné de ces trois contrôleurs donne une stratégie de contrôle pour le contrôle de processus. Le contrôleur PID manipule les variables de processus telles que la pression, la vitesse, la température, le débit, etc. Certaines applications utilisent des contrôleurs PID dans des réseaux en cascade où deux ou plusieurs PID sont utilisés pour réaliser le contrôle.

La figure ci-dessus montre la structure du contrôleur PID. Il consiste en un bloc PID qui donne sa sortie au bloc de processus. Processus / installation se compose de dispositifs de contrôle finaux tels que des actionneurs, des vannes de contrôle et d'autres dispositifs de contrôle permettant de contrôler divers processus de l'industrie / de l'installation.

Le signal de retour de l'installation de traitement est comparé à un point de consigne ou au signal de référence u (t) et le signal d'erreur correspondant e (t) est transmis à l'algorithme PID. Selon les calculs de contrôle proportionnel, intégral et dérivé de l'algorithme, le contrôleur produit une réponse combinée ou une sortie contrôlée qui est appliquée aux dispositifs de contrôle de l'installation.

Toutes les applications de contrôle n'ont pas besoin des trois éléments de contrôle. Des combinaisons telles que les commandes PI et PD sont très souvent utilisées dans des applications pratiques.

Nous espérons avoir pu fournir des connaissances de base, mais précises, sur les contrôleurs PID. Voici une question simple pour vous tous. Parmi les différentes méthodes de réglage, quelle méthode est utilisée de préférence pour obtenir un fonctionnement optimal du contrôleur PID et pourquoi?