Principes et applications du contrôle en cascade

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Principes et applications du contrôle en cascade : Yunnan Changhui Instrument Manufacturing Co., Ltd. analyse, à l’aide d’exemples concrets, les principes du contrôle en cascade, le choix des instruments de contrôle en cascade ainsi que les méthodes de réglage des paramètres des systèmes de contrôle en cascade. L’objectif de l’utilisation du contrôle en cascade dans les environnements industriels est d’améliorer la réponse aux perturbations extérieures et de limiter la plage de contrôle de la charge. 1. Améliorer la réponse aux perturbations par une commande par rétroaction. L’objectif de l’utilisation d’un régulateur de température pour le contrôle par mesure est de faire en sorte que l’état de l’objet contrôlé (température mesurée) se rapproche rapidement de la valeur cible (température définie, etc.). Face à toute perturbation, on s’efforce généralement de rendre la différence entre la valeur cible et l’état de l’objet contrôlé nulle. Alors, comment le contrôle par rétroaction empêche-t-il le désordre de l’état de contrôle causé par des perturbations ? Comme le montre la figure 1, l’utilisation d’un régulateur de température pour contrôler la température du liquide médicinal est illustrée ci-dessous. Figure 1 : Système de contrôle à rétroaction simple
Composition d’un système de contrôle à rétroaction simple – Configuration des instruments :
1. Capteurs sur site
2. Actionneurs (vannes de régulation, convertisseurs de fréquence, etc.)
3. Régulateur à circuit unique

Pour les applications nécessitant un grand retard, tel que le contrôle de la température, il est préférable de choisir un régulateur doté d’algorithmes d’intelligence artificielle ou de contrôle flou, ainsi que d’une fonction d’autoreglage, afin d’éviter tout excès ou sous-régulation dans ces conditions. Ce système de contrôle par rétroaction thermique simple utilise l’ouverture d’une vanne pour modifier le débit de vapeur, afin de contrôler la température du liquide médicinal. Les principales perturbations proviennent des variations de température de la vapeur et des variations de pression de la vapeur. Si l’on utilise un contrôle réactif pour gérer ces perturbations dans ce système de contrôle, il est difficile d’atténuer rapidement le désordre de réponse causé par les perturbations, car le régulateur de température ne peut pas intervenir pour corriger la situation avant que ces effets ne se manifestent sous forme de variations de température du liquide médicinal. Figure 2 : Réponse lors de la baisse de la température de la vapeur 2. Amélioration de la réponse aux perturbations en combinaison avec un contrôle feedforward. Dans le système de contrôle de la figure 1 précédente, si l’on peut mesurer les variations de la température de la vapeur et si l’on connaît avec précision la quantité de correction appropriée nécessaire (sortie d’ouverture MV), alors en l’utilisant en combinaison avec un contrôle feedforward, on peut améliorer les effets causés par les variations de température de la vapeur par rapport à un contrôle feedback seul. Figure 3 Système de contrôle feedforward – Configuration des instruments du système de contrôle feedforward : 1. Capteurs sur site ; 2. Actionneurs (vannes de régulation, convertisseurs de fréquence, etc.) ; 3. Régulateur PID à circuit unique. Pour les applications nécessitant un grand retard de réponse, comme le contrôle de la température, il est préférable de choisir un régulateur doté d’algorithmes d’intelligence artificielle ou de contrôle flou ainsi que d’une fonction d’autoreglage, afin d’éviter tout excès ou sous-régulation en cas de grand retard de réponse. 4. Module d’opération additionnelle et soustractive. La Figure 3 montre un système de contrôle feedforward qui détecte la température de la vapeur. Lorsque cette température varie, ces variations peuvent être corrigées rapidement, ce qui permet de limiter au minimum les fluctuations de température du fluide à contrôler. Cependant, comme la température du fluide médicinal n’est pas affectée par le débit de vapeur, il est généralement difficile d’évaluer correctement le débit de vapeur (la relation entre les perturbations et les changements d’état du processus de température), ce qui limite l’amélioration des résultats de contrôle par l’utilisation conjointe d’une commande feedforward. De plus, comme le système de contrôle feedforward de la figure 3 ne compense que la température de la vapeur, il n’a aucun effet sur les variations de pression de la vapeur. 3. Amélioration de la réponse aux perturbations par contrôle en cascade. Dans le système de contrôle représenté à la figure 1, les perturbations supposées sont « la variation de la température de la vapeur » et « la variation de la pression de la vapeur ». Dans tous les cas, ces variations se traduisent par des changements dans l’énergie fournie au liquide médicinal, ce qui entraîne à son tour des variations de sa température. Par conséquent, on peut supposer que, même si la température ou la pression de la vapeur varie, l’énergie fournie au liquide médicinal par la vapeur pouvant rester constante, la température du liquide médicinal devrait pouvoir être maintenue à une valeur fixe. Du point de vue de cette approche, il s’agit d’un système qui mesure la température à la partie inférieure du réservoir de solution médicamenteuse fournissant l’énergie, puis l’intègre dans le circuit de contrôle. Figure 4 Système de contrôle en cascade
Configuration des instruments pour un système de contrôle en cascade :
1. Capteurs sur site
2. Actionneurs (vannes de régulation, convertisseurs de fréquence, etc.)
3. Régulateur PID à circuit unique
Pour les applications nécessitant un grand retard, tel que le contrôle de température, il est préférable de choisir un régulateur doté d’algorithmes d’intelligence artificielle ou de contrôle flou ainsi que d’une fonction d’autoreglage, afin d’éviter tout dépassement ou sous-régulation en cas de grand retard.
4. Régulateur à commande externe
Comme le montre la Figure 4, deux régulateurs fonctionnent en série, où la sortie d’un régulateur sert de valeur de commande pour l’autre (système à circuits multiples). Ce mode de fonctionnement est appelé « contrôle en cascade », et son fonctionnement est le suivant : le régulateur MAÎTRE a pour but de faire en sorte que la « température du liquide médicinal » atteigne la température cible, en déterminant la « température dans la partie inférieure du réservoir de liquide médicinal », et en fournissant ainsi la température cible au régulateUR ESCLAVE. Le régulateur SLAVE (esclave) a pour but de déterminer la « sortie d’ouverture » afin que la « température à la partie inférieure du réservoir de solution » atteigne la température cible fixée par le régulateur MASTER (maître). Figure 5 : Schéma de bloc du circuit de contrôle en cascade
SV : Température cible de la solution chimique
FL : Débit de vapeur
SVs : Température cible dans la partie inférieure du réservoir de solution
PVS : Température mesurée dans la partie inférieure du réservoir de solution
MV : Ouverture de la vanne de régulation du débit
PV : Température mesurée de la solution chimique
G1 : Caractéristique de réponse de la température dans la partie inférieure du réservoir de solution au débit de vapeur
G2 : Caractéristique de réponse de la température dans la partie inférieure du réservoir de solution au point de mesure de la température de la solution

Dans un système de contrôle en cascade, dès qu’il y a un changement de température ou de pression de la vapeur, le contrôleur SLAVE détecte ce changement comme une variation de température dans la partie inférieure du réservoir de solution. Afin de faire en sorte que l’écart de température par rapport à la valeur de température cible du réservoir déterminée par le contrôleur MASTER soit égal à « 0 », l’ouverture de la vanne de régulation est ajustée. On peut ainsi constater que ce système permet de réprimer plus rapidement les perturbations de température causées par des facteurs externes que le simple système de contrôle par rétroaction de la Figure 1. Figure 6 4. Plage de contrôle de la charge par contrôle en cascade
Figure 7 Système de contrôle de température à circuit unique
Figure 8 Système de contrôle de température en cascade
Si la valeur de sortie de contrôle MV est de 100 %, le chauffage risque de se brûler. Pour contrôler la température du chauffage en dessous de 600 °C, un contrôle en cascade comme celui de la figure 8 est nécessaire. Si l’on souhaite définir la plage d’entrée du contrôleur de température secondaire entre 0 et 600 °C, alors les valeurs MV de sortie du contrôleur de température principal, allant de 0 % à 100 %, correspondent à une valeur cible SV du contrôleur de température secondaire de 0 à 600 °C, ce qui permet à la température du chauffage de rester en dessous de 600 °C. 5. Résumé du contrôle en cascade : Avez-vous compris la manière dont le contrôle en cascade améliore les caractéristiques de réponse aux perturbations ? Figure 9 : Schéma du circuit de contrôle en cascade. Comme le montre la figure 9, le circuit de contrôle en cascade comprend 2 circuits. Le circuit qui a pour but de contrôler la grandeur de contrôle (PV) via le retour d’information est appelé « circuit MASTER », tandis que le circuit situé à l’intérieur du « circuit MASTER » est appelé « circuit SLAVE ». 6. Pour que le contrôle en cascade obtienne de bons résultats, les conditions suivantes doivent être remplies : ① Il doit être possible de former un circuit dépendant. ②La perturbation se produit dans le circuit dépendant. ③Pour le retard de vitesse de réponse de l’objet de contrôle principal, le retard de vitesse de réponse de l’objet de contrôle secondaire est plus faible. Veuillez noter que si les conditions ci-dessus ne sont pas remplies, le contrôle en cascade ne peut pas améliorer efficacement la réponse aux perturbations survenant dans le circuit principal, et il n’obtient donc pas de bons résultats de contrôle. Être capable de régler habilement les paramètres PID et de mettre en marche automatiquement les systèmes de contrôle automatique reflète le niveau de compétences en automatisation des ingénieurs, mais beaucoup ne maîtrisent pas vraiment le contrôle PID ni la régulation de ses paramètres.