Commande industrielle GEL-4100 / GEL-7063

Commande industrielle GEL-4100 / GEL-7063 Cours 02 Éric Poulin Département de génie électrique et de génie informatique Automne 2011

Plan du cours 02 2. Réglage des régulateurs PID 2.6 Analyse des performances 2.7 Aspects industriels GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 2

2.6 Analyse des performances SimLoop.mdl 10 Consigne et variable de procédé 5 1 - Vérification du délai 3 - Vérification de la dynamique 0 15 0 50 100 150 200 Temps (secondes) Variable manipulée 10 5 0 2 - Vérification du gain 0 50 100 150 200 Temps (secondes) GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 3

2.7 Aspects industriels Hiérarchie de la commande Architectures d implantation Systèmes de contrôle Régulateurs simple boucle (SLC Single Loop Controllers) Systèmes de contrôle distribués (DCS Distributed Control Systems) Automates programmables (PLC Programmable Logic Controllers) Caractéristiques des régulateurs PID GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 4

2.7 Hiérarchie de la commande Gestion Planification et gestion de la production Opération Interfaces permettant aux opérateurs de commander et superviser les opérations Systèmes de contrôle Séquences automatiques et stratégies de contrôle Instruments Prise de mesure et action sur les équipements Procédé Équipements pour la fabrication d un produit GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 5

2.7 Architecture d implantation ERP Enterprise Resource Planning MES Manufacturing Execution Systems MCS Monitoring, Control & Surveillance GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 6

2.7 Architecture d implantation GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 7

2.7 Architecture d implantation GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 8

2.7 Architecture d implantation GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 9

2.7 Architecture d implantation GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 10

2.7 Single loop controller (SLC) GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 11

2.7 Distributed control system (DCS) GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 12

2.7 Programmable Logic Controller (PLC) GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 13

2.7 Salle de contrôle GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 14

2.7 Langage de programmation Function Block Diagram Ladder Sequential Function Chart Structured Text Instruction List GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 15

2.7 Caractéristiques des régulateurs PID Nomenclature relative aux signaux de la boucle Paramètres PID Transfert sans à-coup («bumpless») Saturation et «anti-windup» «Proportional kick» et «Derivative kick» Autres fonctionnalités courantes Zone morte Rampe Filtres Gains programmables («gain scheduling») «Auto-tuning» et adaptation GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 16

2.7 Signaux de la boucle Notation la plus courante Consigne : Set-Point (SP) Variable de procédé : Variable manipulée : Process Variable (PV) Controller Output(CO) GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 17

2.7 Paramètres PID Action proportionnelle Bande proportionnelle Erreur qui cause une action proportionnelle de 100 % PB = 100/K c (%) Exemple : PB de 50 % correspond à K c = 2 Attention : lorsque K c augmente, PB diminue Gain sans unité (%/%) Gain avec unités (%/E.U.) GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 18

2.7 Paramètres PID Signe du gain proportionnel Reverse acting Lorsque la variable de procédé est inférieure à la consigne, la variable manipulée augmente Pour un procédé autorégulant ou intégrateur, K p > 0 et K c > 0 Exemple : débit d eau régulé avec une vanne Direct acting Lorsque la variable de procédé est inférieure à la consigne, la variable manipulée diminue Pour un procédé autorégulant ou intégrateur, K p < 0 et K c < 0 Exemple : densité de pulpe régulée avec une vanne d ajout d eau GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 19

2.7 Paramètres PID Action intégrale Unités de temps Integral Time, Reset Time, etc. Minutes ou secondes Unités de temps inverse Repeat/min, Repeat/s min -1, s -1 Gain intégral K i = 1/T i GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 20

2.7 Paramètres PID Action dérivée Unités de temps Minutes ou secondes Filtre appliquée à la dérivée Constante de temps Derivative gain (DG) T f = T d /DG Td s 1 Td s 1 DG GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 21

2.7 Transfert sans à-coup («bumpless») u op (t) manuel/auto et auto/manuel r(t) + e(t) u c (t) u(t) y(t) G c (s) G p (s) - Mode manuel r(t) = y(t) u(t) = u op (t) u c (t) = u(t) Calcul des états de G c (s) avec e(t) = 0 et u c (t) = u(t) Mode automatique r(t) par l opérateur u c (t) par le régulateur u op (t) = u(t) GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 22

2.7 Transfert sans à-coup («bumpless») Pour les simulations Matlab/Simulink u op choisi manuellement Pas de gestion des transferts + r(t) + e(t) u c (t) + u(t) y(t) G c (s) G p (s) - u op GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 23

2.7 Saturation et «anti-windup» Problème d emballement de l action intégrale d un régulateur lorsque : Exemple : L actionneur est saturé Une erreur non nulle par rapport à la consigne persiste Ex_AntiWindup.mdl r(t) + e(t) + u c (t) u(t) y(t) G p (s) - K c + 1/(T i s) GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 24

2.7 Action I avec rétroaction positive e(t) + u(t) + 1 T i s 1 Principe : Saturer u(t) sans qu un signal interne soit sans cesse croissant lorsque e(t) est constante Lorsque la saturation n est pas active : 1 U( s) E( s) U( s) T s 1 Ti s 1 U( s) E( s) T s i i GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 25

2.7 Formulation plus générale Hypothèses Le numérateur et le dénominateur de G c (s) sont de même degré L inverse de G c (s) est stable Lorsque la saturation n est pas active : GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 26 ) ( ) ( ) ( ) ) ( ( 1 ) ( 1 1 s E s G s E G s G G G s U c c c c c + - u(t) e(t) G c 1 1 ) ( c c G s G ) (, ) ( ) ( j G G s G G s G c c c c c

2.7 Exemple : PI avec «anti-windup» Ex_AntiWindup.mdl Pour le régulateur PI : G c ( s) K c ( Ti s 1) T s i Avec K c = 0.8 et T i = 1 Un actionneur saturant à -0.5 et 0.5 Effectuez l implantation du dispositif «anti-windup» À l aide de l approche générale À l aide de la rétroaction positive pour l action intégrale GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 27

2.7 «Proportional kick» et «Derivative kick» Problème de variations de commande importantes lors de changements de consigne Exemple pour un échelon de consigne : Kc( Ti s 1)( Td s 1) U( s) E( s) T s( T s 1) i f u(0 ) KcT T f d e(0 ) Solution possible (applicable pour actions P et/ou D): r(t) + - e(t) ( T s 1 T s i ) i u(t) G p (s) y(t) Kc( Td s 1) T s 1 f GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 28

2.7 Autres fonctionnalités «Gain Scheduling» r(t) Rampe ou F r (s) r*(t) + - e(t) Zone morte e*(t) G c (s) u(t) G p (s) y(t) F y (s) Zone morte : Non-linéarité limitant les actions lorsque l erreur est petite Rampe : Imposer un taux de variation à la consigne F r (s) : Filtre appliqué à la consigne F y (s) : Filtre appliqué à la variable de procédé «Gain Scheduling» ou gain programmé : Modification des paramètres du régulateur en fonction d une variable GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 29

2.7 Exemple : Régulateur Moore 353 À partir de la fiche technique du régulateur MOORE 353 Déterminez la forme du régulateur (interactive, noninteractive ou parallèle) Suggestions Ignorez le filtre sur la dérivée Supposer aucun changement de consigne (consigne nulle) GEL-4100 / GEL-7063 Commande industrielle 30