Brevet FR2496922A1 — publié le 19820625

La présente invention concerne un procédé de réduction automatique du trainage de position d'un système copiant non linéaire pour une boucle de régulation. Elle concerne aussi un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Elle s'applique efficacement, à titre d'exemple, à la régulation de vitesse d'une turbine hydraulique d'entrainement d'un générateur électrique. Un dispositif de régulation tout à fait classique est représenté par le schéma fonctionnel de la figure 1, que l'on pourra supposer appliqué, pour la commodité de ltexposé, à la régulation de vitesse d'une turbine hydraulique, par exemple de type Pelton, c'est à dire une turbine dont la vitesse peut être modifiée en particulier par variation de la position de l'aiguille du ou des injecteurs d'amenée de l'eau sur les augets. Le problème étant de maintenir constanteVa vitesse de la turbine, c'est à dire le plus souvent la fréquence du courant alternatif produit par l'alternateur accouplé, le système comporte d'abord un régulateur 1 qui, à partir de la fréquence relevée F et de la consigne de fréquence CF, élabore un signal d'action Y qui est appliqué à un système copiant 2. Le rôle du système copiant 2 est à la fois un rôle d'amplification, et généralement de changement de nature du signal, en transformant par exemple un signal électrique ou électronique en un déplacement d'un organe mécanique, et dans le cas présent en un déplacement de l'aiguille de l'injecteur 3 du groupe turbo-alternateur 4 qui fournit le courant de'fréquence F. De fanon tout à fait classique également le régulateur 1, du type P I D, comporte un amplificateur différentiel 6 dont le signal de sortie El est appliqué à la fois à trois circuits 7, 8, 9, respectivement à actions proportionnelle, intégrale et dérivée ; l'ordre d'action Y résulte de la somme établie en 10 des actions P.I.D. des trois circuits 7, 8 et 9. Les paramètres de fonctionnement du régulateur 1 sont généralement déterminés, pour des turbines à deux éléments de réglage (injecteurs et déflecteurs par exemple pour une turbine Pelton), de fanon à assurer le meilleur compromis entre les actions des injecteurs et celles des déflecteurs. Dans le circuit copiant 2, le signal d'action Y est comparé à la position réelle X dans un amplificateur différentiel 12, et l'erreur de position E ainsi détectée est appliquée à l'organe actif 13 qui peut être par exemple un servo-moteur. En régime stable établi, l'écart El entre CF et F est nul, Y et X sont constants, et l'écart de position E est nul. Généralement, et en particulier pour le cas de la régulation de turbine, le système copiant 2 est volontairement non linéaire, c'est/dire que la vitesse de variation de X n'est proportionnelle à l'écart de position E que pour de faibles valeurs, positives ou négatives, de cet écart. Pour des perturbations de plus grande amplitude, qui conduisent à des valeurs plus élevées en valeur absolue de E, la vitesse de variation de X est alors volontairement constante, ceci pour atténuer les effets de l'inertie du fluide en mouvement dans la conduite forcée d'amenée d'eau. I1 en résulte que dans les systèmes de régulation à système copiant non linéaire, il apparait un phénomène de "trainage" qui est un retard entre l'ordre de position Y donné par le régulateur et la position réelle X prise par l'organe final de réglage. La figure 2 illustre ce phénomène de "trainage" par un graphique donnant en fonction du temps t l'évolution de l'ordre Y et de la position X. En régime établi X = Y. A partir du temps tO où nait la perturbation, dans une première phase courte a, où l'écart(Y - X)est faible, l'action est proportionnelle ; dans la phase b où l'écart a dépassé une valeur limite, la position X varie à vitesse constante indépendante de l'écart. La pro portionnalitMne survient à nouveau que lorsque le signal Y a dépassé son maximum et diminue, et que dans la phase c l'écart entre Y et X se retrouve à une valeur faible, puis s'inverse en restant faible en valeur de lue. A nouveau, dans la phase d la vitesse, décroissante, de variation/X reste constante. Le "trainage" T peut être défini comme l'écart temporel entre l'instant où l'ordre d'action Y passe par son maximum et l'instant où la position X correspond à la valeur Y. On voit facilement que le trainage T dépend des paramètres du régulateur 1, de la non-linéarité volontaire du système copiant 2, et aussi de l'amplitude de la perturbation, de sorte qu'il devient très important pour de grandes perturbations. Le trainage constitue un phénomène pénalisateur qui réduit le rendement des systèmes de régulation, en particulier en cas de perturbations importantes. Dans le cas par exemple des turbines Pelton à double réglage par injecteurs et déflecteurs, il conduit à une perte d'énergie par ouverture transitoire exagérée des injecteurs après une chute de vitesse une période transitoire de survitesse, avec des variations de pression gênan- tes au bas de la conduite forcée d'alimentation de la turbine. Les figures 3 et 4 illustrent un cas réel dans une installation à turbo-alternateur Pelton à double réglage par injecteurs et déflecteurs, alimentant un réseau électrique isolé. La figure 3 montre une baisse de fréquence du réseau consécutive à une surcharge brutale, et le rétablissement progressif sous l'effet de la régulation de la turbine. Sur la figure 4 on a représenté en fonction du temps, comme sur la figure 2 théorique, les variations relatives de l'ordre Y de modification de position de l'aiguille de l'injecteur, et la position réelle X de cette aiguille mise en action par un système copiant non linéaire. Les valeurs Y et X sont ici exprimées en coefficient d'ouverture des injecteurs, le coefficient 1 correspondant à la pleine ouverture. On voit que pendant la phase de grande perturbation l'écart(Y - X)est important ; l'augmentation d'ouverture des injecteurs se produit pendant une longue période, et en particulier pendant\toute la durée du trainage T1. Le coefficient d'ouverture des injecteurs monte presque jusqu'à 0,75 pour redescendre fortement ensuite, et la turbine prend une survitesse inutile, consommatrice d'énergie, pour évoluer lentement vers son nouvel équilibre. La présente invention a pour objet de rendre la valeur du trainage T indépendante de l'amplitude de la perturbation, et par conséquent de conserver un faible trainage mime pour des perturbations de forte amplitude. L'invention stapplique donc à la réduction automatique du trainage de position d'un système copiant non-linéaire, intégré dans une boucle de régulation d'une grandeur caractéristique d'un système muni d'au moins un organe mobile de réglage, la boucle comportant - un régulateur recevant la valeur réelle de la grandeur à réguler et la valeur de consigne de cette même grandeur, et dans lequel le signal. d'écart entre ces deux valeurs est appliqué à plusieurs circuits d'action à actions proportionnelle, dérivée ou intégrale, dont les réponses sont additionnées pour constituer un signal global Y de position de l'organe mobile de réglage, - un système copiant volontairement non-linéaire recevant le signal Y du régulateur et la valeur réelle X de position de organe mobile de réglage, et dans lequel le signal d'écart E entre ces deux valeurs est appliqué à un mécanisme à servo-moteur de déplacement de l'organe mobile de réglage, la linéarité du système copiant n'étant prévue que pour une faible plage de l'écart E autour de zéro. Selon l'invention le procédé pour la réduction automatique du trai nage consiste à adapter le signal global Y du régulateur à la valeur réel le X de position d'un organe de réglage, par action sur les deux seuils de saturation de l'un au moins des circuits d'action proportionnelle, dé rivée ou intégrale, les valeurs de ces.deux seuils de saturation étant elles-mêmes déterminées en fonction de la position réelle X de l'organe de réglage et de la somme des réponses des autres circuits d'actions non concernes. Selon l'invention également le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé comporte : - un détecteur de la position de l'écart E par rapport à la plage de li néarité du système copiant, - un calculateur déterminé pour établir les seuils de saturation du ou des circuits d'action concernés, en fonction, de la position réelle X de l'organe de réglage, -de la position de l'écart E par rapport à la plage de linéarité, et de la somme des réponses des autres circuits non concernes. L'invention sera mieux comprise en se référant à un mode de réali sation particulier donné à titre d'exemple et représenté par les autres dessins annexés. Les figures 5, 6, 7 et 8 sont respectivement homologues aux figures i, 2, 3 et 4 qui représentent l'état antérieur de la technique. La figure 5 est un schéma fonctionnel de l'ensemble de la régulation réalisé selon l'invention. La figure 6 est un graphique théorique representant, en fonction du temps, les variations relatives de l'ordre Y du régulateur et de la position réelle X de l'organe de réglage. Les figures 7 et 8 montrent le résultat de l'application de l'invention au cas réel décrit par les figures 3 et 4. En se référant à la figure 5 on retrouvera tous les éléments de la boucle classique de régulation décrite à la figure 1. Mais ici l'écart E entre Y et X est prélevé à la sortie de l'amplificteur différentiel 12 pour être analysé dans un détecteur d'écart 15 àtrois positions. Le cir cuit 15 contient les valeurs limites E+ et E- de la plage de linéarité du circuit copiant 2, et le signal S de sortie du détecteur 15 sera égal à +1, 0 ou -1 selon que l'écart réel E sera au dessus, à l'intérieur ou au-dessous de la plage deVinéarité. Le signal S est envoyé à un calculateur 16 qui revoit également le signal X et les signaux P et D de réponse des circuits 7 et 9 à actions proportionnelle et dérivée du régulateur 1. Le calculateur contient encore deux valeurs constantes o 1 et e 2 positives. Le calculateur élabore, en calcul interne dans le sommateur 17, la somme f des signaux D et P, et élabore deux signaux de sortie L et L' dont les algorithmes de calcul varient, comme indiqué sur la figure 5, selon la valeur 1, 0, -1 du signal S. Les valeurs L et L' sont alors appliquées au circuit à action intégrale 8 du régulateur 1, pour constituer les seuils variables de saturation de ce circuit 8. On voit qu'en définitive ceci revient à adapter le signal de commande Y du régulateur à la valeur réelle X de position de ltorgane de réglage, en lui ajoutant ou retranchant une valeur constante prédéterminée e 1 ou 9 2 selon que l'on est dans la phase b où I'écart(Y - X)est positif, ou la phase d où l'écart est négatif. Dans les phases a et c, où l'écart est faible, c'est à dire dans la plage de linéarité, les signaux de saturation L et L' sont respectivement égaux à 1 et 0, ce qui ne modifie pas la réponse du circuit à action intégrale 8, le système copiant 2 fonctionnant alors normalement en action linéaire. La figure 6 traduit les évolutions relatives nouvelles de Y et X, et l'on voit immédiatement la réduction du trainage T. Appliqué maintenant au cas réel des figures 7 et 8, le nouveau mode de régulation selon l'invention fait apparaitre un nouveau trainage T2 extrêmement diminué par rapport au cas des figures 3 et 4. On notera aussi que l'ouverture des injecteurs ne monte ici qu'un peu au-dessus de 0,35, pour revenir beaucoup plus rapidement vers la nouvelle valeur d'é- quilibre aux envi-rons de 0,3, suffisante pour répondre à la surcharge qui avait fait chuter brutalement la vitesse de la turbine et la fréquence du courant. On a donc très sensiblement limité la sur-ouverture transitoire des injecteurs qui obligeait à faire agir les déflecteurs, c'est à dire à stériliser une partie du débit d'eau. On pourra encore noter le rétablissement plus rapide de la fréquence de référence, praiquement sans passer par une phase transitoire de sur-fréquence. Bien entendu l'invention n'est pas strictement limitée au mode de réalisation qui a été décrit à titre d'exemple, mais elle couvre également les réalisations qui n'en diffèreraient que par des détails, par des variantes d'exécution ou par l'utilisation de moyens équivalents. Ainsi, on pourrait imaginer d'agir sur les saturations d'un autre circuit que celui à action intégrale du régulateur, et par exemple sur celui à action proportionnelle ou dérivée ; dans ce cas le calculateur prendrait en compte, pour l'établissement des seuils de saturation L et L' la somme des réponses des autres circuits non concernés. Le domaine d'application d'un tel système de régulation n'est pas non plus limité à celui de la régulation de vitesse des turbines, mais concerne de fanon générale tous les systèmes de régulation comportant des systèmes copiant volontairement non linéaires, comme par exemple la commande de cylindres de laminoirs, ou la commande de machines à injecter les matières plastiques. REVENDICATIONS 1.- Procédé de réduction automatiquexdu trainage de position d'un système copiant non linéaire, intégré dans une boucle de régulation d'une grandeur caractéristique d'un système muni d'au moins un organe mobile de réglage, la boucle comportant - un régulateur recevant la valeur réelle de la grandeur à réguler etla valeur de consigne de cette même grandeur, et dans lequel le signal d'é cars entre ces deux valeurs est appliqué à plusieurs circuits d'action à actions proportionnelle , dérivée ou intégrale, dont les réponses sont additionnées pour constituer un signal global Y de position de l'organe mobile de réglage - un système copiant volontairement non linéaire recevant le signal Y du régulateur et la valeur réelle X de position de organe mobile de réglage, et dans lequel le signal d'écart E entre ces deux valeurs est appliqué à un mécanisme à servo-moteur de déplacement de l'organe mobile de réglage, la linéarité du système copiant n'étant prévue que pour une faible plage de l'écart E autour du zéro, caractérisé par le fait que, lorsque le système copiant travaille en dehors de sa plage de linéarité, on adapte le signal global Y du régulateur à la valeur réelle X de position d'un organe de réglage, par action sur les deux seuils de saturation de l'un au moins des circuits d'action proportionnelle, dérivée ou intégrale, les valeurs de ces deux seuils de saturation étant elles-memes déterminées en fonction de la position réelle X de l'organe de réglage et de la somme des réponses des autres circuits d'actions non concernés. 2.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte, outre le régulateur et le système copiant - un détecteursde la position de l'écart E par rapport à la plage de linéarité du système copiant, - un calculateur déterminé pour établir les seuils de saturation du ou des circuits d'action concernés, en fonction, de la position réelle X de l'organe de réglage, de la position de l'écart E par rapport à la plage de linéarité, et de la somme des réponses des autres circuits non concernés.