Transcript Travaux Pratiques Régulation

IUT Marseille
Dépt Chimie
DUT Chimie option - Productique Chimique
Travaux Pratiques Régulation
42GPA2p
Ver 01
17/03/2014
JAK
Travaux Pratiques
Vous pourrez préparer vos travaux pratiques en étudiant les documents de
référence suivants :
Cours GPA : Comportement statique des procédés, Comportement dynamique en
boucle ouverte, Régulateur PID, Rôle des actions PID, Critères de performance
d'une régulation, Méthodes de réglage par approches successives. Identification des
procédés et calcul des actions. Régulation cascade.
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Travaux Pratiques
TP_21 : Régulation de Niveau sur un procédé autostable
Schéma du montage
Utiliser les normes proposées pour réaliser le plan de circulation des fluides
instrumenté du procédé.
Caractéristiques du transmetteur de pression différentielle
(Aide : Notice Technique 34-ST-03-19A/EF)
- Fonction :
- Etendues de mesure
minimale :
maximale:
- Rangeabilité :
- Précision :
- Sortie :
Régulation de Niveau
Une régulation P.I.D. en boucle fermée simple est utilisée pour réguler le
niveau d’un réservoir.
BUT
Vous aurez (a) à mettre en œuvre le mode opératoire pour déterminer les
réglages du régulateur PID , (b) optimiser les réglages pour améliorer la
performance de la régulation et (c) tester la régulation en générant des
perturbations sur le système.
I - Rappel théorique
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Travaux Pratiques
Le volume accumulé dans le bac pendant
le temps dt est égal à la différence des
volumes entrant et sortant durant cette
même période.
dV = [Qe - Q
].dt (1).
(t)
s(t)
or
Qe
dV(t) = S.dN(t)
(2)
N
Qs
Dans cet exemple, le débit de sortie est
fonction du niveau; en considérant
l'écoulement comme laminaire, on peut
écrire la relation :
Qs
(t) = N(t)/K
(3)
Avec : S
= section du bac (m2)
dN
= variation de niveau
(t)
correspon-dant à la variation de volume.
Le système peut alors être modélisé par
une équation (4) différentielle à
coefficients constants :
S.K
dN (t)
dt
+ N (t) = k.Q e(t)
Avec : K = la résistance due à la vanne
de sortie. K est exprimée en s/m2 si Qs
est en m3/s et N en m.
Ce système est donc modélisé par une équation différentielle du premier ordre.
On dit aussi que le système est du premier ordre.
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Travaux Pratiques
Transformée de Laplace : Ecriture de la fonction de transfert.
L[
dN (t)
dt
] = p N(p)
L'équation (4) devient :
S.K.p.N
+N
= Qe .K
(p)
(p)
(p)
La fonction de transfert du procédé est :
H(p) = N(p) = K
Qe(p ) 1+Skp
On peut remarquer que le produit S.K a pour unité s.
H(p) = Gs
1+θp
C'est l'écriture formelle de la fonction de transfert, où Gs est le gain statique du
procédé et θ sa constante de temps.
C'est l'écriture formelle de la fonction de transfert, où Gs est le gain statique
du procédé et T sa constante de temps. La théorie sur l'asservissement
d'une mesure montre que le correcteur idéal pour piloter un système du
premier ordre est le regulateur PI, c'est à dire que l'on obtient une réponse
rapide et sans dépassement; la stabilité est toujours assurée.
II) Mise au point des réglages
a) Sens d’action du régulateur
Qu'appelle-t-on sens d'action du régulateur? Comment le sélectionner dans la
boucle étudiée? Justifier.
b) Etude statique
Pour une position de la vanne de vidange (réglée par l’enseignant), tracer
l’évolution du niveau (%) en fonction de la commande vanne (%). En déduire
l’étendue de la zone de comportement linéaire ainsi qu’ une valeur moyenne
du gain statique du procédé.
c) Identification en boucle ouverte.
Dans l'étude théorique on a montré que le système était naturellement stable;
on peut donc l'identifier en boucle ouverte. La fonction de transfert globale
inclura la fonction de transfert du système et celles du transmetteur et de
l'organe de réglage (vanne et positionneur).
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Travaux Pratiques
L'identification est une opération qui permet de déterminer les paramètres de
la fonction de transfert du procédé global. Elle est essentiellement utilisée
pour calculer de façon méthodique les actions du régulateur.
- Mode opératoire
- 1) Mettre le régulateur en manuel.
- 2) Se placer au point de fonctionnement M et stabiliser la mesure.
o
- 3) Faire un échelon sur la commande vanne VR en repérant l'instant sur
le tracé mesure du papier enregistreur. Noter également la vitesse de
déroulement du papier.
N.B. :- L'amplitude de cet échelon doit être limitée mais suffisante pour
obtenir une variation de la mesure exploitable pour l'analyse.
- 4) Attendre la stabilisation de la mesure M et effectuer l'analyse : recherche
de Gs, θ.
- 5) Répéter la procédure décrite ci-dessus (amplitude 10% autour du point de
fonctionnement Mo.
Déterminer les valeurs de Gs, θ. Présenter vos résultats sous forme de
tableau et commenter.
d) Calcul des actions - Réglage du régulateur - Vérifications
Rappel : On pose Gr = 1/Gs ou B.P. = Gs × 100 et Ti = θ. Ce sont des valeurs
qu'il faudra affiner en fonction des essais
Etude en asservissement.
Se placer au point de fonctionnement Mo et stabiliser la mesure.
Sur le régulateur faire Consigne = Mesure (Pourquoi?)
Passer en automatique.
Vérifier que la mesure reste stable. Sur le régulateur, faire successivement
des échelons de consigne autour de Mo. (attention! même précautions que
précédemment.)
Pour chaque essai, attendre la stabilisation de la mesure avant d'arrêter le
déroulement.
Tracer au crayon l'échelon de consigne.
Commenter la performance du réglage.
Améliorer si nécessaire, en reprenant la procédure décrite ci-dessus. Vous
justifierez votre démarche en explicitant le rôle des actions du
régulateur.
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Travaux Pratiques
Présenter vos résultats et commentaires dans un tableau
Essai
N°
Gr
Ti
Erreur
statique (%)
Dépassement Temps
d'établissement (TeBF)
Commentaires
Etude en Régulation.
Se placer en M .
o
Faire M = C.
Passer en AUTO
Attendre la stabilisation de M.
A l'aide de la commande manuelle de soutirage, créer une perturbation en
provoquant un échelon sur la vanne de fuite VF (voir repères). Repérer
simultanément l'instant de la perturbation sur le papier de l'enregistreur.
Observer l'évolution de la mesure.
Tracer au crayon sur l'enregistrement, la position de consigne, et commenter
la performance de la régulation.
Affiner le réglage si nécessaire.
Resultats et commentaires
III Conclusion.
En reprenant les concepts (théoriques et pratiques) que vous avez dû utiliser
pour mener à bien la mise au point de la régulation de niveau, RESUMER le
principe général de mise en oeuvre de la régulation monoboucle de ce type.
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Travaux Pratiques
TP_21 bis : Etude et mise au point de la régulation de la
température de la charge en sortie d’un échangeur (Tsch) :
Régulation cascade Tsch – Qec.
Une régulation cascade est composée de deux boucles fermées imbriquées. Le système peut
être décomposé en deux sous systèmes liés par une grandeur intermédiaire mesurable. Le
système de régulation utilisé ici est la régulation cascade sur grandeur réglante, car la
grandeur intermédiaire est le débit d’eau chaude (Qec). Une première boucle, la boucle
SECONDAIRE ou INTERNE, a pour grandeur réglée cette grandeur intermédiaire (Qec). La
deuxième boucle, la boucle PRIMAIRE, a pour grandeur réglée la grandeur réglée de la
régulation cascade (Tsch) et commande la consigne de la régulation SECONDAIRE.
Pec
Autres
Perturbations
Pression
Eau chaude
Consigne
primaire
+–
Régulateur
primaire
Tsch
+–
Qec
Relation
Qec/Pec
Consigne
Externe de Débit de eau
chaude
Régulateur
Secondaire
Vanne
de
Tsch
Variable
procédé
secondaire
++
Variable
procédé
Echangeur
++
e
réglage
Mesure variable procédé secondaire
Mesure variable procédé primaire
La cascade permet de minimiser l’effet des variations du débit d’eau chaude sur la
température de sortie de la charge.
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primaire
Travaux Pratiques
(I) Travail Préliminaire
:
Etude du procédé et de son instrumentation
1) Identifier l'appareillage et l'instrumentation utilisés :
Appareillage :
Instrumentation
Sécurité :
Instruments de mesure :
Instruments de correction (régulation) :
Actionneurs
Le schéma de la face avant du régulateur est représenté ci- dessous. Etudier la notice
technique du régulateur et préciser le rôle des voyants, afficheurs et touches de la face avant.
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Travaux Pratiques
(II) Manipulations en Mode Conduite
Indiquer à l'aide du schéma
a) les paramètres que l'on peut visualiser et préciser comment.
b) comment l'opérateur sélectionne le mode manuel ou automatique.
c) comment l'opérateur modifie la commande vanne.
d) comment l'opérateur modifie la consigne interne.
(III) Réaliser l'ensemble des manipulations pour vous familiariser à
l'utilisation du régulateur.
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Travaux Pratiques
V) A partir de leur plaques signalétiques et des notices techniques
relever les caractéristiques de chaque instrument.
a) Vanne Automatique.
MARQUE :
TYPE :
CARACTERISTIQUES
POSITION DE SECURITE :
PRESSION AIR INSTRUMENT :
CV:
CARACTERISTIQUE DE DEBIT :
b) Débitmètre électromagnétique
MARQUE :
TYPE :
LIMITES D’ETENDUE D'ECHELLE :
c) Détecteur de niveau : Schéma et principe
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Travaux Pratiques
VI) Réaliser le schéma du procédé :
(VII) Etude statique de l'échangeur
1)
Passer les régulateurs en manuel
2)
Réaliser l'étude du comportement statique de l'échangeur dans les conditions précisées
pendant la séance.
Débit
Charge :
l/h
Commande
vanne (%)
Débit Eau
chaude (%)
Température
Charge (%)
80
70
60
50
40
(VIII) Etude de la caractéristique statique et choix d'un point ou plage de
fonctionnement.
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Travaux Pratiques
VIII
Etude et mise au point de la régulation de la température de la charge en sortie d’un
échangeur.
Le système de régulation utilisé est la régulation cascade sur grandeur réglante.
VIII – 1 MISE AU POINT DE LA REGULATION CASCADE
Les étapes à suivre pour la mise au point d’une régulation en cascade sont les suivantes :
- Détermination du sens d’action des régulateurs.
- Réglage de la boucle interne (régulateur asservi).
- Mise en service du régulateur asservi (passage de consigne interne en consigne
externe sans à-coups).
- Réglage de la boucle externe (régulateur pilote).
a) Choix du sens d’action des régulateurs
Le choix du sens d’action du régulateur asservi se fait en tenant compte du sens d’action de la vanne avec
son positionneur. (OMA ou FMA). Le choix du sens d’action du régulateur pilote se fait en raisonnant sur
la grandeur réglante ou sur la grandeur intermédiaire que régule la boucle interne.
b) Réglage de la boucle interne (régulateur asservi)
La grandeur régulée par la boucle interne étant rapide (généralement un débit), la méthode de
réglage la mieux adaptée est la méthode par approches successives en mode de régulation
PI..
Fig.VIII..b
La recherche des valeurs optimales des actions se fait régulateur asservi (FIC) en automatique et en consigne
interne, afin d’obtenir une réponse, en proportionnelle et intégrale, très amortie. La figure VIII.b représente la
réponse à un échelon de consigne, d’une boucle interne.
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Travaux Pratiques
c) Passage manuel/automatique/cascade sans à-coups
La mise en service du régulateur asservi impose une manipulation d’équilibrage pour passer d’un mode de
fonctionnement à un autre, afin d’éviter des à-coups sur la vanne.
Figure VIII.c
Prenons l’exemple de la Figure VIII.c (cascade sur la grandeur réglante) pour montrer la procédure à suivre pour
mettre en service le régulateur FIC1.
- Le régulateur FIC1 étant en manuel, mettre sa consigne interne égale à la mesure de débit fluide
caloporteur, passer ensuite le régulateur en automatique avec consigne interne. Cet équilibrage se
fait automatiquement sur les régulateurs possédant un mode de consigne suiveuse.
- Le régulateur FIC1 étant en automatique et en consigne interne, mettre la sortie manuelle du
régulateur TIC1 égale à la consigne interne du régulateur FIC1, passer ensuite ce dernier en
consigne externe.
Cet équilibrage se fait automatiquement, par configuration sur les systèmes numériques de contrôle
commande de procédé, ou par câblage sur les régulateurs numériques monoblocs. Dans les deux cas, on
oblige la sortie du régulateur pilote à suivre la consigne interne du régulateur asservi, lorsque ce dernier
n’est pas en mode cascade.
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Travaux Pratiques
d) Réglage de la boucle externe
-
Pour la boucle externe, on choisira la méthode de calcul des actions après identification du procédé
en boucle ouverte.
Protocole
Le régulateur étant en manuel, stabiliser le procédé au point de fonctionnement.
Une première valeur de des actions P, I et D peut être obtenu à partir de l’analyse de la réponse
en boucle ouverte
1) Pour cela, faire un échelon de sortie du TIC de l’ordre de 10 ou 15% à l'aide de la commande
manuelle et relever après stabilisation la variation de mesure ∆M correspondante.
L'action proportionnelle à afficher au régulateur est : BP% > (∆M % / δP%) . 100 ou Gr =1/Gs
L’action intégrale à afficher au régulateur est : Ti = θ
L'action dérivée à afficher au régulateur est : Td = τ
Si le retard est négligeable afficher Td = 0
3)
Ver01
Optimiser et tester vos réglages
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Travaux Pratiques
TP-22 : Régulation de température Cuve
Régulation de température d’une cuve
Objectifs :
Etudier la boucle simple de régulation de la température de la cuve par action sur la puissance de
chauffe.
Déterminer un point de fonctionnement
Compréhension et (a) sélection du sens d’action du régulateur (b) mise au point du réglage des
actions P.i.d. du régulateur.
Pré-requis : Étude statique Température cuve = f (Puissance de chauffe) qui ,permet de choisir
un point de fonctionnement.
Première partie
Schéma normalisé : Etude de la boucle régulation de température
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Travaux Pratiques
Schéma de câblage :
Régulateur
R1
(2216)
Régulateur
TIC1
(2408)
Mesure
Mesure
Consigne
Consigne
Interne
Sortie
X
Externe
Sortie
Capteurs
Actionneur
FT chaud
Vr chaud
PT niveau
Chauffe
T1 cuve
Variateur
T2 Ech
PT ref
T3 froid
T4 chaud
Ver01
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Travaux Pratiques
Mode opératoire :
Mettre le procédé au point de fonctionnement
Après vérification du montage par l’enseignant :
1. Mettre le coffret sous tension
2. Connecter la ligne de froid en A
3. Fermer V7 et V4
4. Ouvrir V5 et V6
5. Ouvrir V1 et V2
6. Remplir la cuve à 80% et fermer V1
7. Connecter ensuite la ligne de froid en B
8. Autoriser le fonctionnement de la pompe : appuyer sur Marche Pompe
9. Passer la sélection pompe sur Marche
10. Ouvrir V1 ; fixer le débit froid à 140 l/h
11. Autoriser la chauffe « MARCHE CHAUFFE »
12. Régler manuellement la température de la cuve à environ 52°C. Pour cela, tracer la
courbe Tcuve = f(Pchauffe) pour des puissances allant de 30 à 50%) ou Utiliser les résultats
de l’étude statique Température cuve = f (Puissance de chauffe) Attendre la stabilisation
de la mesure. Affiner les conditions opératoires si nécessaire pour prendre en compte la
température de l’alimentation en eau de service.
Ver01
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Travaux Pratiques
Mise au point des réglages PID
Vous réunirez vos résultats sous forme d’un tableau, comme indiqué ci-dessous.
Protocole
Le régulateur étant en manuel, stabiliser le procédé au point de fonctionnement.
Une première valeur de des actions P, I et D peut être obtenu à partir de l’analyse de la réponse
en boucle ouverte
2) Pour cela, faire un échelon de puissance de l’ordre de 10 ou 15% à l'aide de la commande
manuelle et relever après stabilisation la variation de mesure ∆M correspondante.
L'action proportionnelle à afficher au régulateur est : BP% > (∆M % / δP%) . 100 ou Gr =1/Gs
L’action intégrale à afficher au régulateur est : Ti = θ
L'action dérivée à afficher au régulateur est : Td = τ
Si le retard est négligeable afficher Td = 0
Mise au point des réglages
1) Ramener la consigne à la mesure, pour avoir un écart nul.
2) Passer le régulateur en automatique.
3) Provoquer une variation de consigne ∆C sur la plage de fonctionnement choisi.
4) Observer l'enregistrement de l'évolution de la mesure.
5) Remettre le régulateur en manuel après stabilisation de la mesure.
Donner vos résultats sur la feuille de résultats joint.
Ver01
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Travaux Pratiques
Feuille de Résultat et conclusion
1) Conditions de fonctionnement :
Débit de recirculation =
Débit eau froide =
Niveau cuve =
2) Etude statique
Commande Chauffe
Température cuve
20
30
40
3) Courbe statique
4) Choix d’une plage de fonctionnement. Justification
5) Analyse de la réponse en boucle ouverte et détermination de Gs, θ et τ. Calcul des premières
valeurs de BP%, Ti (en s) et Td (en s).
Illustrer la réponse en boucle ouverte (copie d’écran de la courbe mesure de Tsch sur
un échelon de 10% de débit de recirculation)
Gs =∆MTsch/∆commande pompe
Premières valeurs de :
BP% =
θ=
Ti =
τ=
Td=
6) Justifier le Sens d’action du régulateur :
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Travaux Pratiques
7) Amélioration des réglages
Essai
N°
Réglage de
:
Erreur
statique (%)
Dépassement Temps
d'établissement (TeBF)
Commentaires
8) Tester la performance de votre régulation en créant une perturbation : Varier le débit d’eau froide
de 150 l/h.
Conclusion :
Ver01
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Travaux Pratiques
TP_23 Régulation de niveau sur procédé intégrateur
Objectifs :
Etudier la boucle simple de régulation du niveau de la cuve par action sur la vitesse
de rotation de la pompe.
Déterminer un point de fonctionnement
Compréhension et (a) sélection du sens d’action du régulateur (b) mise au point du
réglage des actions P.i.d. du régulateur.
Schéma normalisé :
Réalisez le schéma normalisé et instrumenté de la manipulation.
Schéma de câblage tel que :
Câblage R1 : mesure débit refoulement pompe, sortie vers vanne de
régulation.
Câblage R2 : mesure le niveau du bac, sortie vers le variateur de la pompe.
Conditions opératoires :
- Commande vanne
en fonction caractéristique statique
- Niveau cuve initial
60 %.
- Débit d’alimentation Qe
200 l/h. (à ouvrir au dernier moment)
Schéma à compléter
Régulateur
R1
(2216)
Régulateur
R2 = LIC
(2408)
Mesure
Mesure
Consigne
Consigne
Interne
Sortie
X
Externe
Sortie
Capteurs
Actionneur
FT chaud
Vr chaud
PT niveau
Chauffe
T1 cuve
Variateur
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Travaux Pratiques
T2 Ech
PT ref
T3 froid
T4 chaud
Mode opératoire :
•
Détermination du sens d’action du régulateur
Puis réglage par l’enseignant
Le procédé étudié est un procédé intégrateur ou instable : expliquez en le
principe.
Comparer avec le fonctionnement d’un bac à extraction naturelle, réaliser 2
schémas de principe pour étayer votre explication.
• Recherche de la commande vanne permettant de travailler (pour stabiliser le
niveau) à des fréquences de pompes de l’ordre de 50% :
Pour ce faire, tracer la caractéristique installée de la vanne pour une
fréquence de 50ù de rotation de la pompe choisir et fixer la commande
vanne à partir de cette courbe. Expliquez et justifiez votre choix.
• Mettre le procédé au point de fonctionnement : Recherche de la
commande du variateur de la pompe telle que le niveau reste stable
Relation Qe / Qs ?
Mise au point des réglages PID
Vous réunirez vos résultats sous forme d’un tableau, comme indiqué ci-dessous.
Protocole :
Le régulateur étant en manuel, stabiliser le procédé au point de fonctionnement.
Une première valeur de des actions P, I et D peut être obtenu à partir de l’analyse de
la réponse en boucle ouverte (identification en BO)
Pour cela, faire un échelon de vitesse de pompe de 10 % à l'aide de la commande
manuelle et identifier l’intégration du système (montée et descente)
• Réglage de la boucle : méthode par identification en boucle ouverte
Expliquez le principe de cette méthode de réglage appliquée à un procédé
instable.
→ Effet de la grandeur réglante sur la grandeur réglée en montée puis en
descente
Détermination de la constante d’intégration K et du temps mort (valeurs
moyennes entre les intégrations obtenues en montée et en descente).
Ver01
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Travaux Pratiques
∆M %
1
∆M %
(avec
×
= pente , ∆F % = 10% )
∆t
∆F %
∆t
• Détermination des actions PID - tests en asservissement
100
0 .8
En PI : BP % =
; Gr =
; Ti = 5τ
Gr
Kτ
0.85
; Ti = 4.8τ ; Td = 0.4τ
En PID : Gr =
Kτ
PI
K=
PID
BP%
Gr
Ti
Td
•
Mise au point des réglages
Ramener la consigne à la mesure, pour avoir un écart nul.
Passer le régulateur en automatique.
Provoquer une variation de consigne ∆C sur la plage de fonctionnement choisi.
Observer l'enregistrement de l'évolution de la mesure.
Remettre le régulateur en manuel après stabilisation de la mesure.
Présentez vos résultats sous forme d’un tableau incluant copie d’écran (montrant
bien la consigne, la mesure et la sortie (signal pompe)), valeurs des paramètres
testés, réponse (oscillations, écart permanent, Tebf…)
• Perturbations – tests en régulation
Proposer une pertubation à effectuer dans les 2 sens.
Enregistrer la réponse de votre procédé en BF
Présentez vos résultats dans un tableau identique au précédent
•
Ver01
Conclusion générale
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