Brevet FR2344064A1 — publié le 19771007

La présente invention se réfère aux régulateurs dits "proportionnels", cest-à-dire dont le signal de sortie est une fonction linéaire de ltécart entre la valeur réelle de la grandeur à régler et celle ou consigne quton désire lui imposer. Ce signal commande alors directement le processus intéressé. Par exemple, stagissant dttzn processus de chauffage, la grandeur à régler étant la température, le régulateur peut commander ltintensité du courant électrique ou le débit du fluide combustible suivant les cas. Lorsqutan se trouve très au-dessous de la consigne qui leur est fixée, les régulateurs du genre en question émettent en permanence leur signal maximal, ctest-à-dire que dans exemple ci-dessus, ils assurent le maximum de production de calories par unité de temps. Puis à mesure luron se rapproche de la consigne précitée, leur signal diminue linéairement comme ltécart entre celle-ci et la valeur mesurée de la grandeur, pour se stabiliser quand son action suffit juste à maintenir le processus à un état constant, lequel correspond obligatoirement à une valeur quelque peu inférieure à la consigne. En dtautres termes, comme le signal de sortie du régulateur stannule quand on atteint la consigne et que lorsqutil est nul il ne peut assurer ltentretien du processus, il est fatal que le réglage se stabilise à une valeur plus faible. La différence entre cette valeur et la consigne est généralement appelée écart de statisme. On dispose de divers moyens pour réduire ou annuler cet écart. On peut tout dtabord prévoir le régulateur afin qutil assure un coefficient de proportionnalité très élevé, c'est-à-dire pour que le domaine dans lequel son signal de sortie stabaisse à partir du maximum (domaine dit bande proportionnelle) soit très étroit, mais cela comporte parfois des difficultés techniques et peut aboutir à des instabilités indésirables. On peut encore décaler préalablement la bande proportionnelle en imposant au régulateur une consigne fictive supérieure à celle réellement désirée, de manière que lorsque le réglage s'arr & e avec un certain écart de statisme par rapport à cette consigne fictive, on se trouve à peu près à la valeur de consigne réelle.Dans certains cas ce décalage doit steffectuer à la main pour qutil soit possible de l'adapter à des conditions opératoires variables. Cependant une solution théoriquement parfaite consiste à assurer le décalage de la bande proportionnelle non pas une fois pour toutes lors de la mise en service du régulateur, ni en sen remet tant à un opérateur plus ou moins habile ou soigneux, mais bien de façon entièrement automatique en utilisant ce qu'on appelle l'ac- tion intégrale. A cet effet l?on applique l'écart de statisme à un intégrateur, lequel en déduit un signal qui vient s'ajouter à celui du régulateur proportionnel proprement dit jusqutà annuler entièrement ledit écart1 Toutefois, si cette action intégrale est parfaite en régime substantiellement uniforme, elle donne lieu à certaines difficultés en régime variable. Tout d'abord elle allonge la phase de stabilisation. En effet pour ne pas perturber défavorablement effet stabilisateur de la commande proportionnelle, action intégrale doit entre progressive. La lenteur de son intervention est d'mutant plus importante que la constante dtintégration Ti est plus grande. En second lieu lors de la mise en route du processus, elle provoque un dépassement de la consigne. En effet aussi longtemps que la valeur mesurée diffère de cette consigne, l'intégrateur enregis tre la différence tout comme stil s'agissait de écart de statisme et par conséquent il détermine finalement un sur-réglage parfois très important qui peut s'avérer dommageable dans la pratique. Il en va de mtme si lton modifie brusquement la consigne pendant la marche du processus. Pour limiter ces inconvénients lton a eu recours à plusieurs palliatifs . Mais tous ou bien font intervenir ltopérateur (mise hors action de ltintégrateur pendant la mise en route), ou bien exigent des dispositifs accessoires compliqués et délicats. L'invention vise à remédier aux inconvénients qui précèdent et à permettre annuler écart de statisme sans mettre en oeuvre l'action intégrale et sans par conséquent avoir besoin des dispositifs accessoires quelle exige. Conformément à ' ltinvention lton ajoute au signal de sortie drun élément régulateur proportionnel un signal auxiliaire fonction de la valeur de consigne1 On comprend que dans ces conditions la bande proportionnelle du régulateur se trouve décalée dtune quantité égale à la valeur du signal auxiliaire.En choisissant convenablement la relation entre la consigne et le signal auxiliaire, on peut obtenir que le point de réglage finalement réalisé corresponde exactement à la consigne fixée. Dtautre part quand cette consigne est modifiée, le signal auxiliaire se modifie également et moyennant certaines précautions, si la fonction de la valeur de consigne à laquelle ce signal correspond a été judicieusement choisie, celui-ci compense là encore écart de statisme avec une très grande précision. On conçoit notamment que si la relation entre le signal de commande et la grandeur à régler est linéaire, le signal auxiliaire peut être choisi proportionnel à la valeur de la consigne.Si la relation précitée est plus complexe, on peut toujours s'accommoder dun signal proportionnel à la consigne à condition que sa droite représentative reste très voisine de la courbe signal de commande/grandeur à régler dans toute la zone de variation possible de cette consigne. Le dessin annexé, donné à titre dtexemple, permettra de mieux comprendre itinvention, les caractéristiques qutelle présente et les avantages quelle est susceptible de procurer. Fig. I est un schéma par rectangles illustrant le fonctionnement dtun régulateur proportionnel classique. Fig. 2 indique les courbes caractéristiques correspondantes. Fig. 3 reproduit le graphique de fig. 2, mais avec dEca- lage de la bande proportionnelle (consigne fictive). Fig. 4 est le schéma complet d'un régulateur proportionnel compensé avec éléments d'intégration et de dérivation. Fig. 5 est le schéma d'un régulateur proportionnel comportant application de l'invention, sans élément de dérivation. Fig. 6 est un graphique illustrant le fonctionnement du régulateur de fig. 5. Fig. 7 est un schéma par rectangles représentant la disposition de deux régulateurs en cascade et qui correspondent à deux grandeurs du processus à régler. Fig. 8 est un graphique analogue à celui de fig. 2, mais faisant ressortir I'avantage dtune bande proportionnelle étroite. On a rappelé en fig. 1 le schéma de réglage d'une grandeur par un régulateurs proportionnel. Le rectangle I représente ce régulateur et le rectangle 2 l'ensemble ou processus soumis au réglage. Le régulateur reçoit sur son entrée 3 un signal représentatif de la consigne imposée C et sur son entrée 4 un autre signal correspondant à la valeur mesurée de la grandeur à régler dans le processus 2. Il émet sur sa sortie 5 un signal qui par la ligne 6 arrive à entrée 7 du processus 2 pour le commander. Ce dernier comporte lui-mEme une sortie 8-sur laquelle apparatt un signal analogique à la valeur à mesurer. Comme sus-indiqué ce signal est renvoyé à la seconde entrée 4 du régulateur 1 par une ligne 9, tandis qu'unie autre ligne 10 permet de l'utiliser à toutes autres fins appropriées, par exemple pour actionner un appareil dtaffichage. Fig. 2 indique le graphique de fonctionnement d'un tel régulateur, les ordonnées A correspondant au signal de commande et les abscisses M à la valeur de la grandeur à régler. La courbe a est celle du processus. On voit que dans exemple représenté le signal de commande nécessaire à l'obtention d'une valeur déterminée de la grandeur augmente plus vite que celle-ci. Sur l'axe des abscisses a a indiqué en C la valeur de consigne quton désire imposer à la grandeur. La courbe b est celle du signal de commande du régulateur. Quand on se trouve loin du point de consigne C, ce signal reste à son maximum, ce qui correspond à la partie horizontale PQ. Puis on entre dans une zone B correspondant à la bande proportionnelle, le signal s'abaissant de façon uniforme pour s'annuler au point C. Le processus se stabilise au point d'intersection R de a et de b puisqutalors ltintensité du signal de commande du régulateur atteint exactement le niveau nécessaire pour maintenir la grandeur à régler à la valeur stable représentée par le segment OS. La distance c qui sépare les points S et C correspond exactement à écart de statisme. Fig. 3 montre comment l'on peut annuler écart de statisme en se fixant une consigne fictive Ct supérieure à celle représentée par C. Toute la courbe b avec la bande proportionnelle B' se trouve alors décalée de b en b bt:et le point d'intersection R' peut se si- tuer à l'aplomb du point C. Le tracé en pointillés correspond au cas de fig. 2 et fait bien ressortir ce décalage. Fig. 4 représente le schéma d'un régulateur usuel comportant un élément proportionnel, un élément d'intégration et un élément de dérivation dont les signaux totalisés commandent le processus 2. On y trouve un amplificateur différentiel 11 recevant la consigne C sur son entrée 12 et la valeur de la grandeur à régler sur son autre entrée 13. Sa sortie 14 représentant la différence amplifiée est envoyée à travers une résistance 15 à un amplificateur proportionnel 16 à gain réglé par une contre-réaction 17, à travers une résistance réglable 18 à un amplificateur 19 formant intégrateur en association avec un condensateur 20, et enfin à travers un condensateur 21 à un amplificateur 22 à contre-réaction de réglage 23, ce dernier amplificateur assurant la dérivation du signal qutil reçoit. Les sorties des trois amplificateurs 16, 19, 22 arrivent à un som mateur 24 dont la sortie commande le processus 2. On retrouve le conducteur 9 qui ramène à l'entrée 13 le signal analogique représentant la valeur de la grandeur à régler. Dans la pratique le sommateur est prévu réglable en ce sens que sa sortie représente la somme de ses entrées multipliée par un coefficient quton peut faire varier (réglage proportionnel). On a exposé le rle et les inconvénients de ltintégrateur 1920 dont la sortie s'ajoute à celle de 11 amplificateur 16 qui, avec l'amplificateur différentiel 11, constitue l'élément régulateur proportionnel. Ltensemble 22-23 agit en différenciateur pour amortir les brusques variations et éviter les pompages, à la façon bien connue dans la technique. Fig. 5 montre maintenant le schéma d'un régulateur suivant l'invention1 Si l'on ne tient pas compte de ltélément de dérivation 22-23 de fig. 4, qui pourrait d'ailleurs être également prévu en fig. 5, on voit que la différence essentielle entre ces deux schémas de fig. 4 et 5 réside dans le fait que l'élément intégrateur 19-20 du premier a été remplacé dans le second par un amplificateur différentiel linéaire 25 qui reçoit d'une part sur sa première entrée 26 la consigne C à travers une résistance appropriée 27, dtåu- tre part sur la seconde 28 une tension auxiliaire réglable provenant d'une source 29 (réglée par exemple par un potentiomètre).Le gain de cet amplificateur 25 est réglé par une résistance de contreréaction 30, la sortie aboutissant là encore au sommateur réglable 24 qui commande le processus 2. La caractéristique de sortie de l'amplificateur 25 en fonction de la valeur de consigne est une droite d (fig. 6) dont la pente peut être réglée par la résistance 30, tandis que sa position (par exemple son point d'intersection avec I'xe des abscisses) peut entre déterminée en agissant sur la source 29. I1 est ainsi possible dSob- tenir que cette droite soit très voisine de la courbe a dans toute la zone prévue pour la variation possible de la consigne C. Pour faciliter la compréhension du fonctionnement l'on peut tout d'abord supposer que la courbe a se confond avec la droite d, ctest-à-dire que la caractéristique de réglage du processus est linéaire, ce qui est d'ailleurs souvent le cas dans la pratique. Dans ces conditions la droite d représente : - dtune part (en ordonnées) le signal de commande nécessaire à maintenir la grandeur à régler à toute valeur choisie (en abscisses) ; - dtautre part le signal de sortie (en ordonnées) de ltam- plificateur en fonction de la valeur de consigne fixée (en abscisses). La valeur de consigne constitue un paramètre quton peut choisir pour chaque cas, mais qui reste fixe pendant tout le fonctionnement du processus, ou à tout le moins pendant une phase de celuici. On peut supposer quton stest donné la valeur C. Dans ces conditions le signal de sortie de l'amplificateur 25 est représenté par l'horizontale e qui coupe la droite d en un point T de même abscisse que le point C représentatif de la consigne fixée. Pour ce point C le signal de sortie du régulateur proportionnel 11-16 est nul et seul subsiste donc celui de l'amplificateur 25. Comme la courbe a se confond par hypothèse avec la droite d, le signal de commande total sortant de 24 correspond exactement à ce qui est nécessaire pour maintenir le réglage au point T qui représente donc un état stable.La grandeur est ainsi réglée à la consigne désirée, sans écart de statisme. Tout se passe comme si l'on avait décalé la bande proportionnelle B de 11-16 à la façon exposée en référence à fig. 3, mais avec cet avantage essentiel que le décalage s'adapte automatiquement à la valeur de consigne quand on modifie celle-ci, alors que suivant fig. 3 l'on devait le déterminer à chaque fois. Si, comme on l'a représenté en fig. 6, la courbe a ne se confond pas exactement avec la droite d, il subsiste une petite différence représentée par l'écart f qui, dans l'exemple choisi, correspond à un léger sur-réglage. Mais cette différence sera minime du fait que la droite d est très voisine de la courbe a dans une zone telle que i et dont on peut admettre qutelle englobe toutes les modifications possibles de la consigne. De plus le régulatenr proportionnel 11-16 ajoute son signal d'écart, ce qui contribue à réduire davantage encore cette différence. On notera à cet égard que le régulateur doit envoyer un signal positif en cas de sous-réglage, mais un signal négatif en cas de sur-réglage. Dans la variante de fig. 7 il est prévu deux régulateurs suivant fig. 5 disposés en cascade ltun avec autre. Le premier, référencé 31, reçoit la consigne C et, par la ligne 9, la valeur actuelle de la grandeur à régler. Il envoie son signal de sortie au second 32 qui reçoit par ailleurs, par la ligne 33, la valeur d'une autre grandeur du processus 2, cette autre grandeur étant liée à la première. Ctest la sortie de ce second régulateur qui commande le processus 2. Cette disposition présente un avantage considérable quand les variations de la grandeur intermédiaire précèdent celles de la grandeur à régler. Ainsi par exemple stagissant de régler la température à laquelle un corps est chauffé dans un four, la grandeur intermédiaire peut être la température d'une paroi de ce four proche du système de chauffage de celui-ci. Dans ces conditions le premier régulateur agit en fonction de la différence entre la température du corps et la consigne fixée- ; il donne sur sa sortie un signal quton règle pour qutà sa valeur maximale il corresponde à la température maximale de la paroi considérée. Le second régulateur reçoit ce signal comme consigne secondaire qui va diminuer à mesure que la température du corps se rapproche de la valeur de consigne principale.L'an peut alors prévoir pour le second régulateur une bande proportionnelle extrêmement réduite, comme indiqué fige 8, Avec une bande aussi étroite, les variations possibles de la caractéristique (dues par exemple à des modifications dtambiance telles que l'auverture de regards ou portes associés au four), ne décalent que fort peu la valeur de réglage. En fig. 8, pour simplifier les explications lton a représenté la caractéristique b du régulateur 32 comme ayant été décalée par effet de l'amplificateur de consigne 25 de fig. 5. En d'autres termes cette caractéristique correspond au tracé PQ'C' e fig. 3 et non à celui PQC de fig. 6. On voit aisément que lorsque la caractéristique de réglage passe de a à a, le point e fonctionnement se déplace de Rt à R", ce second point correspondant à une valeur de réglage C fort peu différente de C. I1 doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée quota titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de ltinvention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails dtexécution décrits par tous autres équivalents. R E V E N D I C A T I O-N S 1. Régulateur proportionnel, du genre comportant au moins un élément proportionnel émettant un signal de sortie qui, au moins à l'intérieur d'une certaine bande, est proportionnel à écart entre la valeur réelle de la grandeur à régler et la consigne qutan désire lui imposer, et au moins un élément de compensation propre à émettre un signal auxiliaire qui stajoute à celui de l'élément proportionnel en vue d'annuler ou à tout le moins de réduire écart de statisme qui subsisterait autrement entre la valeur de réglage résultant de la seule action de l'élément proportionnel et la consigne elle-mme, caractérisé en ce que l'élément compensateur émet un signal auxiliaire fonction de la valeur de la consigne1 2.Régulateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le signal auxiliaire de l'élément compensateur est une fonction linéaire de la consigne. 3. Régulateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce qutil comprend des moyens permettant de régler la pente et la position de la droite caractéristique de l'intensité du signal auxiliaire de l'élément compensateur en fonction de la consigne, de manière que cette droite puisse se confondre ou à tout le moins se rapprocher étroitement de la caractéristique de réglage (signal de commande nécessaire en fonction de la valeur de la grandeur à régler). 4. Régulateur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que son élément proportionnel est prévu de manière à pouvoir émettre un signal positif ou négatif lors de la non-réalisation de la consigne en vue de réduire l'écart résultant de la non-coincidence entre la droite caractéristique de ltélément compensateur et la courbe caractéristique de réglage. 5. Régulateur suivant ltune quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce qutil comprend deux ensembles dont le premier renferme un élément proportionnel et un élément'compensa- teur à signal auxiliaire fonction de la valeur de la consigne, ce premier ensemble recevant d'une part la consigne, dtautre part lta- nalogue d'une grandeur du processus intéressé liée à la grandeur à régler et dont les variations précèdent celles de cette dernière, tandis que le second reçoit dtune part la sortie du premier, cette sortie jouant le rle de consigne secondaire, d'autre part ltanalo- gue de la valeur à régler elle-m & e.