Brevet FR2088178A1 — publié le 19720107

L'invention se rapporte à la commande en boucle terme de processus d'ordre élevé ou comDortant des temps morts (temps de transfert) ou des fonctions de temps morts entre les actions sur les grandeurs d réglage et leurs effets mesurables sur les grandeurs réglées. De teis systèmes se rencontrent notam ment dans les installations faisant intervenir des transferts de matière ou d'éniargie, telles que les réacteurs chimiques les colonnes de distillation, les fours à ciment, les machines. à papier, la fabrication du verre, les mélanges effectués en ligne, les chaudières. Il est connu que, dans ces conditions, l'utilisation de régulateurs classiques du type proportionnel-intégral-différentiel. conduit à des oscillations de la grandeur réglée nuisibles à la qualité du réglage. L'amplitude de ces oscillations peut être diminuée par un accroissement de la bande proportionnelle du régulateur, mais c'est alors au détriment de la précision statique, l'écart entre la valeur réa lé et la valeur de consigne pouvant devenir important. On a déjà proposé. dans la demande de brevet français déposée par la Société demanderesse sous le N PV h9 057 52 le J mars 1969 pour ;"Correcteur de régulation pour processus comportant unfonction de temps morts ou des constantes de temps dans la boucle d'asservissement. de de s'affranchir de cet inconvénient en introduisant un correcteur dans l'élaboration de la grandeur réglante qui agit sur le processus. Une boucle de régulation est schématiquement représentée par la Fig. 1. Une valeur de consigne 1 est comparée à la grandeur régléP (grandeur de mesure) arrivant en 2, dans un comparateur ; dont la sortie 4 produit un signal d'écart X. Ce signal @ est introduit dans un correcteur 5 dont la sortie 6 fournit un signal de réglage Y avaleur réglante) qui commande un processus 7 d'ordre élevé ou à temps morts ou fonctions de temps morts, àla sortie 8 duquel on effectue le prélèvement de la grandeur réglée renvoyée en ?. La fonction d; transfert d'un processus d'ordre élevé ou a temps morts ou fonctions de tempe morts peut être assimilée, en première approimation, à une ou plusieurs constants de temps @, Il suivies d'une fonction de temps mort #o. Si. dans tette approximation. l'on désigne par p l'opérateur de Laplace. par C p) la fonction de tran@fert (constantes de tempe) du processus. abstraction faite du temps mort #o. la fonction de transfert du processue prand la forme : i l'on a une seule constante de temp@. si l'on a deux constantes de temps To et T1, Ko étant le gain du processus, c'est-à-dire le rapport entre la valeur mesurée introduite en 2 et l'action exercée en 6. On cherche à donner au correcteur 5 des caractéristiques telles que tout se passe comme si le temps mort était rejeté en dehors de la boucle de régulation, suivant le schéma fictif de la Fig. 2,où 5' représenterait une fonction de transfert Z équivalente à l'ensemble du correcteur 5 et du processus, abstraction faite du temps mort | , et 7' la fonction de temps mort Dans la demande de brevet français précitée, on a constitué ce correcteur au moyen de certains éléments de régulation traitant le signal d'écart et d'éléments de prédiction effectuant l'intégrale de la grandeur de sortie et en retranchant une fonction retardée de cette intégrale. Mais, on a trouvé suivant la présente invention, que l'on pouvait donner à ce correcteur d'autres structures dans lesquelles la fonction de la grandeur de sortie élaborée dans les éléments de prédiction n'est pas une intégrale. Le correcteur suivant l'invention, qui comporte, entre son entrée et sa sortie, une suite d'éléments de régulation élaborant la somme d'un signal, de l'intégrale de celui-ci et de la dérivée de celui-ci, ces grandeurs étant affectées éventuellement de coefficients différents dont celui de l'intégrale au moins n'est pas nul, et qui possède aussi des éléments dits de prédiction, fournissant un signal de prédiction à partir de la grandeur de sortie du correcteur et des moyens pour introduire ce signal de prédiction en aval d'un premier groupe desdits éléments de régulation et l'y retrancher du signal en cours d'élaboration dans ces derniers, est caractérisé en ce que ce signal de prédiction est égal à la différence entre une valeur fonction H. autre qu'une telle que H i intégrale, de cette grandeur de sortie' où Cl désigne la fonce ion de transfert dudit premier groupe desdits éléments de régulation, et une valeur fonction retardée, identique à F, de cette fonction H. la Fia. @ représente le schéma de principe d'un tel correcteur 5. La partie régulateur de ce correcteur se compose de blocs 9 et 10 dont les fonctions de transfert sont respectivement C1 et C2 et entre lesquels on a disposé un soustracteur 11 recevant un signal émis par un soustracteur 12 qui @ffectue la Différence entre un valeur, produite dans le bloc lj fonction H de la ran- deur de sortie 6. -t un valeur fonction retardée F de la fonction H. produi- te dans un bloc 14. Les fonctions @ et G sont déterminées d'après les résultats d'une étude expérimental préliminaire @ processus en recherchant un module mathématique qui suive approxlmativement la courbe réell@ é aristion la grandour me@uré@ è la sortir du processus pour une valeur donnée du reçlaee. Suivant la forme de cette courbe réelle et suivant la précision recherchée, on retiendra une ou plusieurs constantes de temps pour la fonct.on de transfert simulée du processus. Le correcteur comporte, comme on le verra plus loin, à l'occasion des exemples de réalisation, des réglages permettant de faire coYncider ses caractéristiques avec les paramètres relevés sur le processus. En se plaçant dans le cas où la fonction de transfert du processus peut être assimilée à une constante de temps T0 et à une fonction de temps mort et en recherchant les solutions de correcteur les plus simples, on a retenu notamment deux structures que l'on désignera dans la suite par "première structure" et "deuxième structure", cette deuxième structure pouvant être considérée comme une variante simplifiée de la première structure. On va décrire ces structures et donner des exemples de réalisation de certains éléments du correcteur au moyen des figures schématiques 4 et suivantes, ci-jointes. Cette description permettra de faire ressortir d'autres caractéristiques et avantages de l'invention. Les Fig. 4 et 5 représentent des exemples de la première structure. Les Fig. 6 et 7 représentent des exemples de la deuxième structure. La Fig. 8 représente un schéma d'intégrateur. La Fig. 9 montre un schéma de détail d'un intégrateur. La Fig. 10 représente un schéma de circuit de retard pur. La Fig. Il montre un circuit auxiliaire lié au circuit de retard. Dans la première structure, le premier groupe d'éléments de régulation multiplie le signal d'écart par un coefficient, la fonction H est fournie par un intégrateur bouclé sur lui-meme et l'ensemble des éléments de régulation qui sont situés en aval dudit premier groupe effectue la somme du signal qu'il reçoit et d'une intégrale de celui-ci. On aura ainsi par exemple La Fig. 4 montre un exemple de réalisation d'un tel convertisseur. Le premier groupe d'éléments de régulation comporte un potentiomètre 15 et un amplificateur 16 qui multiplient le signal d'écart par le coefficient ~, Kr après quoi un soustracteur 17 en retranche le signal de prédiction obtenu au moyen d'un intégrateur 18 bouclé sur lui-mZeme par une liaison 19 et un sous ,ra-F-ur O. et au moyen du circuit de retard 21 et d'un soustracteur 22.La 1 fonction H est ainsi de la forme c'est-à-dire qu'elle est 1 + TrP équivalente à une constante de temps.A la sortie 23 du soustracteur 17, un amplificateur 24 dont le gain est figuré par 25 multiplie le signal reçu par le coefficient Q, et un additionneur 26 y ajoute l'intégrale produite dans un intégrateur 27 dont la fonction de transfert est q Tp On donne aux paramètres Kr, Tr et #r (circuit 21) du correcteur les ou valeurs mesurées/ calculées des paramètres Ko, To et #o du processus, ou ces valeurs multipliées par certains coefficients, ce qui peut être intéressant pour obtenir une réponse plus rapide du correcteur. Le réglage de Kr peut s'effectuer en agissant sur le potentiomètre 15 et ce réglage peut être automatique au moyen d'un servo-moteur commandé par la valeur de K . Le potentiomètre 15 peut aussi être remplacé par une résistance sensible o à la lumière éclairée par une ampoule alimentée par un signal image de K o On peut aussi utiliser un multiplieur analogique, c'est-à-dire qu'on agit sur le gain d'un amplificateur en fonction de K o Le réglage de Tr s'effectue en modifiant la tension analogique de référence des comparateurs de l'intégrateur numérique 18. Cette tension peut être fournie de l'extérieur et réglée par exemple de O à 10 v, ou bien on peut installer un réglage interne au moyen d'un potentiomètre. Le réglage deN s'effectue de même en modifiant la tension de commande de l'horloge du circuit de retard 21, soit au moyen d'une tension extérieure réglable soit au moyen d'un potentiomètre. La Fig. 5 montre une réalisation dans laquelle la fonction retard est élaborée sous forme numérique. Pour cela, l'intégrateur 18 est un intégrateur numérique jouant en même temps le rôle de convertisseur analogique-numérique. Le bouclage de cet intégrateur se fait par l'intermédiaire d'un convertisseur numérique-analogique 28, et un deuxième convertisseur numérique-analogique 29 est disposé entre les soustracteurs 22 et 17. Un troisième convertisseur numérique-analogique 30 est disposé à la sortie de l'intégrateur 27 qui est un intégrateur numérique jouant en même temps le rôle de convertisseur analogiquenumérique. Les transmissions d'informations numériques ont été figurées par un trait doublé d'un trait en pointillé. Cette structure est intéressante car elle est d'un emploi très étendu, du fait notammen comme on le verra plus loin, qu'elle convient même dans les cas où la constante de temps To est très petite devant #o. si To devient négligeable devant #o, on peut simplifier cette structure et utiliser la deuxième structure, dans laquelle le premier groupe d'éléments d régulation multiplie le signal d'écart par un coefficient, la valeur fonction H est la grandeur de sortie elle-même. et les éléments de régulation qui sont situés en aval du premier groupe effectuent une intégrale. On aura, ainsi, par exemple : C1=1, H = 1 et C2 = Q Ko Too La Fig. 6 montre un exemple de réalisation un tel convertisseur.Le premier groupe d'éléments de régulation comporte le potentiomètre 15 et l'amplifi1 cateur 16 qui multiplient le signal d'écart par le coefficient , après Kr quoi un soustracteur 17 en retranche le signal de prédiction obtenu simplement à partir de la grandeur de sortie Ytp), au moyen du circuit de retard 21 et du soustracteur 22, puis un intégrateur 31 effectue l'intégrale du signal reçu suivant la fonction de transfert O TrP La Fig. 7 montre une réalisation o la fonction de retard est élaborée sous forme numérique. Pour cela, l'intégrateur 31 est un intégrateur numérique jouant en même temps le rôle de convertisseur analogique-numérique, dont la grandeur de sortie sert à élaborer le signal de prédiction sous forme numérique. On dispose alors, outre le convertisseur numérique-analogique 29, un convertisseur numérique-analogique 32. pour obtenir un signal de réglage utilisable,après adaptation, à la commande du processus. Comme sur la Fig. 5, on a représenté les transmissions d'informations numériques par un trait doublé d'un tirait en pointillé. La Fig. 8 montre un schéma d'intégrateur numérique jouant en même temps le rôle de convertisseur analogique-numérique. Cet intégrateur utilise le principe de la converslon tension-impulsions avec comptage-décomptage des impulsions. Une tension analogique Ve est appliquée à l'entrée 33 de l'intégrateur-numéri- que et commande un amplificateur opérationnel 34 disposé en narallèle avec une capacité d'intégration 35. La tension Vs issue en 36 est appliouée à deux comparateurs 37, 38 auxquels est appliquée la même tension de réfécence VR par la liaison 39. Cette tension de référence est réglable manuellement à partir d'un signal extérieur de commande de manière à adapter la constante d'intégration de l'intégrateur aux paramètres du processus.Le basculement de l'un de ces comparat@urs qui in@er par lorsque 'a tension de sortie Vs devient éga'e respecti.ement à la tension de seuil 4 VR ou à la tension de seuil - VR, "roorue, par l'intermédiaire d'un circuit logique"OU" 40, d'une bascule monotable 41 et d'un interrupteur électroniaue 42 la remise à zéro du condensa t@ur @et par conséquent de la tension Vs en 36.Ce ba@culement commande, d'aute part. par l'intermédia@re d'une porte 43 dont le rôle sera défini plus pin. une sér de disiseurs décimaux 44, cui divisent les impulsions issuesde la bascule monostable dans un rapport a, compris entre 1 et La sortie des diviseurs 44 commande une bascule monostable 45 dont les impulsions de sortie sont appliquées à un compteur-décompteur binaire 46 et, si l'intégrateur est suivi d'un circuit à retard 21, envoyées par la connexion 47 vers ce circuit à retard, à titre d'information de changement d'état du compteur, comme on le verra plus loin.Ce compteur-décompteur 46 comporte par exemple 8 digits, (ou chiffres binaires) représentant une tension analogique de O à 10v, Les impulsions issues des diviseurs 44 sont comptées ou décomptées en 46 suivant la position d'une mémoire d'ordre 48 qui est commandée par les comparateurs 37 et 38. Si la tension d'entrée Ve est positive, c'est le comparateur de seuil négatif 37 qui envoie une impulsion et la mémoire 48 délivre un ordre de comptage. Inversement, si la tension d'entrée est négative, c'est le détecteur de seuil positif 38 qui envoie une impulsion, et la mémoire 48 délivre un ordre de décomptage. L'état binaire n du compteur 46 symbolise une tension de sortie du condensateur 35 égale à : n.a.VR. La valeur de sortie 49 du compteur-décompteur 46 donne RC étant la constante de temps à l'entrée 34 - 35, et n étant le nombre d'impulsions comptées. Ainsi, la constante de temps globale aRC peut être très grande bien que la constante de temps RC soit faible, ce qui permet une réalisation technologique simple et une bonne précision. La dynamique du système peut être, sans modification de structure, portée de quelques milli-secondes à plusieurs heures, et le dispositif est ainsi particulièrement bien adapté aux processus industriels lents. De plus, il est aisé de faire varier la constante 10v d'intégration équivalente, soit en modifiant 256. VR . a. RC progressivement VR de 1v à 10v par exemple, comme on l'a déjà signalé. ce qui permet de commander électriquement le paramètre Tr du correcteur, soit en agissant sur les diviseurs 44 et en modifiant ainsi par bonds le coefficient a. Lorsqu'un compteur binaire a atteint sa capacité na:-maleen comptage, c'est-d-dire lorsqu'il affiche 1 sur toutes ses sorties, et qu'on lui ajoute une impulsion à l'entrée, il voit toutes ses sorties panser à 0 De même, en décomptage si toutes les sorties sont à 0, une impulsion supplémentaire en décomptage forait passer toutes les sorties du compteur à 1. L'invention prévoit un dispositif 50 de détection des saturations positives (1 partout) et négative partout) du compteur-décompteur 46 qui provoque, par la liaison 51, une action sur la porte 43 et un blocage de la transmission des impulsions au compteur-décompteur tant qu'un ordre de décomptage (cas d'une saturation positive) ou un ordre de comptage (cas d'une saturation néga tive) n'est pas appliqué au compteur-décompteur. La réalisation du blocage de la transmission des impulsions au compteur-décompteur peut entre effectuée de manière particulièrement simple au moyen de trois portes ET-NON, comme le représente la fig.9. Une porte 52 reçoit sur une entrée 53 le signal d'ordre de décomptage et sur l'autre entrée 54 le signal d'une saturation négative du compteur-décompteur 46. Une porte 55 reçoit sur une entrée 56 le signal d'ordre de comptage et sur l'autre entrée 57 le signal d'une saturation positive du compteur-décompteur 46. La troisième porte ET-NON est la porte 43 qui reçoit n 53 l'impulsion à compter et la transmet en 59 aux diviseurs 46. Cett- porte 4 a ses deux autres entrées reliées respec tivement à la sortie d- ports L @ et 55. Dans le cas de la première structure, l'intégrateur 18, bouclé sur luimême, comporte le dispositif de blocage 43 décrit précédemment. De même l'intégrateur 31 de la deuxième structure comporte ce dispositif de blocage. Du fait que l'intégrateur 18 est bouclé sur lui-même, la constante d'intégration Tr peut être très petite devant le retard. Ainsi, la première structure convient même à des processus présentant une constante de temps très petite par rapport au retard. Elle est donc d'une utilisation très générale. Un circuit de retard pur est constitué par un registre G décalage O formé, dans l'exemple représenté par la fig. 10, de huit canaux et seize stations binaires. Si ce circuit de retard pur constitue le circuit 21, les informations venant de l'intégrateur numérique 18 ou 31 arrivent a l'entrée 61, et elles sont transférées d'une station à la suivante par un ordre de décalage, et sortent en 62 pour être dirigées sur le soustracteur 22. L'ordre de décalage est généré par une horloge 63 qui est un générateur d'impulsions classique, dont la fréquence peut etre réglée soit de façon continue par action sur la tension de commande de l'horloge, soit par bonds dans le rapport de 1 à 10 au moyen de trois diviseurs 64, 65 et 66.Les ordres de l'horloge sont trans mi@ par l'intermédiaire d'un circuit de mise en forme 67, d'un circuit séquen tiel 68 et d'un amplificateur d puissance 69. Le rôle du circuit séquentiel 68 est de permettr l'entrée d'informations asynchrone par rapport à l'horloge du registre. en retardant la transmission dP l'ordr- dP décalage lorsque les informations à l'entrée du registre 60 sont @n @our@ d'évolution. c'est-à-dir lorsque l'intégrateur numérique 18 ou 31 change d'état et envoie un signal par la conneion 47. Ce circuit séquentiel et pot@nu par les méthodes classi@ues de résolution des circuits séquentiels (tableaux des états, réduction des variablcs secondaires).On a trouvé qu'il était particulièreaent intéressant de le réaliser en circuit intégré du type ET-NON, sous la forme du schéma représenté par la Fig. 11 qui comporte sept portes ET-NON 70 à 76 formant deux mémoires 72-73 et 75-76, le tableau des états après réduction faisant apparattre la nécessité de deux variables secondaires. Ce circuit comporte deux entrées : l'une 47 reliée à la sortie de la bascule mono stable 45, et l'autre 77 reliée à la sortie du circuit ó7; la sortie 78 est reliée à l'entrée de l'amplificateur 69. Les deux structures décrites pour le correcteur ne l'ont été qu'a titre d'exemples de réalisations particulièrement avantageuses, mais on peut adopter de nombreuses autres structures dans le cadre de l'invention. En particulier, on peut adapter à un régulateur déjà existant,du type à action proportionnelle et intégrale ou à action proportionnelle, intégrale et différentielle.des éléments de prédiction introduisant la fonction H = C1 G et la fonction retardée F de cette fonction H, telles qu'elles ont été définies précédemment. REVENDICATIONS l - Correcteur de régulation pour la commande en boucle fermée d'un pro c@ssus A.:)nt le comportement est semblabl s 7 celui d'une ou de plusieurs cons- tantes de temps de fonction de transfert G(p) et d'une fonction de temps mort @D d'ecart @e - , ce correcteur recevant un signal/proportionnel à la différence entre une valeur de consigne et la mesure de la grandeur a régler, émettant en grandeur de sortie le signal de réglage. comportant, entre son entrée et sa sortie, une suite d'éléments de régulation qui élaborent la somme d'un signal. de l'intégrale de celui-ci et de la dérivée de celui-ci, ces grandeurs étant affectées éventuellement de coefficients différents dont celui de l'in intégrale au moins n'est pas nul, et possédant en outre des éléments dits de prédiction nui fournissent un signal de prédiction à partir de la grandeur de sortie du correcteur et des moyens pour introduire ce signal de prédiction en aval d'un premier groupe desdits éléments de régulation et l'y retrancher du signal en cours d'élaboration datas ces derniers, caractérisé en ce que ce signal de prédiction est égal à la différence entre une fonction H, autre qu une intégrale, de cette grandeur de sortie telle que H = C1.C.où C1 désigne la fonction de transfert dudit premier group desdits déments de régulation, et une valeur fonction retardée, identique à F, de cette fonction H. 2.- Correcteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier groupe d'éléments de régulation multiplie le signal d'écart par un coefficient, en ce que la fonction H est fournie par un intégrateur bouclé sur lui-même et en ce que l'ensemble de ceux desdits éléments de régulation qui sont situés en aval dudit premier groupe effectue la somme du signal nu'il reçoit et d'une intégrale de celui-ci. j.- Correcteur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'intégrateur rournissant la fonction H est un intégrateur numérique jouant en même temps le rôle de convertisseur analogique-numérique, en ce qu'il est bouclé sur lui-même par l'intermédiaire d'un convertisseur numérique-analogique, et en ce eue le signal de prédiction est élaboré sous forme numérique puis passe dans un convertisseur numérique-analogique avant d'être introduit dan lesdits éléments de régulation. 4,- Correcteur suivant la revendication i caractérisé en ce que ledit premier groupe d'éléments de régulation multiplie le signal d'écart par un coefficient, en ce eue la valeur fonction H eît la grandeur de sortie elle-même, et en ce u cou desdits éléments de régulation qui sont situés en aval dudit premier groupe effectuent une integrale. 5.- Correcteur suivant la revendicatíon 4, caractérisé en ce que ladite intégrale est effectuée dans un intégrateur numérique jouant en même temps le ralle de convertisseur analogique-numérique, dont la grandeur de sortie sert à élaborer le signal de prédiction sous forme numérique. 6.- Correcteur suivant la revendication j ou 5, dans lequel l'intégrateur numérique effectue une conversion tension-fréquence et totalise les impulsions ainsi produites dans un compteur-décompteur, caractérisé en ce que cet intégrateur numérique comporte un dispositif de blocage de la transmission de ces impulsions au compteur-décompteur, et en ce que ce dispositif intervient en cas de saturation du compteur-décompteur et maintientx son action tant qu'un ordre de décomptage (cas d'une saturation positive) ou un ordre de comptage ;cas d'une saturation négative) n'a pas été appliqué au compteur-décompteur. 7.- Correcteur suivant la revendication 3, dans lequel la valeur fonction retardée de la fonction H est un retard simple obtenu dans un registre à décalage commandé par une horloge, caractérisé en ce que les informations venant de l'intégrateur numérique qui fournit la fonction H ne sont pas synchronisées avec l'horloge et en ce qu'un circuit séquentiel retarde la transmission de l'ordre de décalage émis par l'horloge lorsque ledit intégrateur numérique change d'état. 8.- Correcteur suivant la revendication 5, dans lequel la valeur fonction retardée de la fonction H est un retard simple obtenu dans un registre à décalage commandé par une horloge, caractérisé en ce que les informations venant de l'intégrateur numérique qui fournit la grandeur de sortie ne sont pas synchronisées avec l'horloge et en ce qu'un circuit séquentiel retardzla transmission de l'ordre de décalage émis par l'horloge lorsque ledit intégrateur numérique change d'état. 9.- Correcteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les paramètres en sont modifiés par un réglage de tension pour les adapter aux paramètres du processus. 10.- Correcteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les paramètres du correcteur sont identifiés auY paramètres du processus à certains coefficients près, de manière à obtenir une réponse plus rapide du correcteur.