Brevet FR2536553A1 — publié le 19840525

DISPOSITIF DE RECULATION DU TYPE P.LD. DELIVRANT UNE TENSION DE SORTIE DE POLARITE DONNEE La présente invention a pour objet un dispositif de régulation du type P.l.D. délivrant une sortie de polarité donnée, notamment une régulation de température pour une enceinte chauffée. Les régulateurs du type P.I.D., c'est-à-dire à actions proportionnelle, intégrale et dérivée, sont bien connus dans les techniques de régulation. De tels régulateurs mettent en général en oeuvre des amplificateurs opérationnels symétriques alimentés sous deux tensions, positive et négative. Le calcul de tels éléments est simplifié dans la mesure où la tension de sortie est égale à la différence entre les tensions d'entrée multipliée par le gain de l'amplificateur, éventuellement variable avec la fréquence, notamment pour les corrections du type intégral ou dérivé. Certains types de régulation, et notamment les régulations de température, n'ont besoin de délivrer en sortie qu'une tension de polarité donnée, à savoir dans l'exemple ci-dessus une tension de commande de chauffage. I1 est alors économique d'essayer d'utiliser des amplificateurs opérationnels à une seule tension d'alimentation de manière à abaisser le prix de revient du régulateur. e tels amplificateurs ont cependant pour inconvénient de laisser subsister en sortie des tensions continues résiduelles susceptibles. de sat@urer les circuits existants en aval. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif de régulation du type P.I.D. mettant en oeuvre des amplificateurs opérationnels alimentés sous une seule tension de polarise donnée et dont le montage est réalisé de manière à supprimer tes tensions résiduelles néfastes au bon fonctionnement du régulateur, tout en ménageant par ailleurs un réglage amélioré des. corrections appor tuées par le régulateur, grâce au découplage des fonctions de corrections proportionnelles intégrale et dérivée, réalisées dans des amplifi@ateurs opérationnels montés en parallèle. L'invention concerne donc un dispositif de régulation à actions proportionnelle, intégrale et dérivée pour la régulation d'un paramètre par délivrance en sortie d'un signal de commande électrique de polarité donnée, et il est caractérisé en ce qu'il comporte: - un dispositif de mesure délivrant une tension de mesure suivant une fonction décroissante de la grandeur à mesurer; - un générateur de consigne délivrant une tension de référence;; - quatre amplificateurs opérationnels alimentés sous une seule tension de ladite polarité donnée et dont les trois premiers sont montés en parallèle et reçoivent chacun à leur entrée non inverseuse directe la tension de référence et à leur entrée inverseuse la tension de mesure et consistant le premier en un amplificateur à action proportionnelle, le second en un amplificateur à action intégrale et le troisième en un amplificateur à action dérivée, et dont le quatrième reçoit à son entrée non inverseuse directe la tension de mesure et à son entrée inverseuse les sorties des trois premiers amplificateurs. Le dispositif peut comporter un amplificateur de puissance recevant la tension de sortie du quatrième amplificateur opéra tionnel. Ledit paramètre peut être une température et le dispositif de mesure être alors constitué par un pont diviseur alimenté en tension et dans lequel est disposé au moins un élément thermo-sensible. Ce dernier peut être du type à coefficient de température négatif et être raccordé entre la masse et le point où est disponible la tension de mesure, et le pont diviseur comporte alors une résistance électrique entre ledit point et lBalimentation en tension du pont diviseur. Le dispositif peut comporter un cinquième amplificateur opérationnel monté en suiveur et recevant la tension de mesure à son entrée non inverseuse et dont la sortie est raccordée de manière à alirnenter au moins un des quatre premiers amplificateurs opérationnels par la tension de mesure. Le gain de l'ensemble peut être tel que l'application de la tension de mesure seule à l'entrée non inverseuse du quatrième amplificateur opérationnel, c'est-à-dire en faisant abstraction des corrections introduites par le P.I.D., produit une pre-commande d'un dispositif à réguler à une valeur voisine de celle désirée, mais au plus égale à celle-ci. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif en se reportant au dessin annexé qui représente un schéma électrique d'un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Sur la figure unique, une tension d'alimentation positive U0 (par exemple + 12 V) est utilisée pour alimenter cinq amplificateurs opérationnels A0 à A4 et un générateur de tension stabilisée 20 délivrant en sortie une tension U1 (par exemple + 8 V) stabilisée avec précision. La tension U1 est destinée à l'alimentation d'un premier pont diviseur comportant une resistance R1 dont une première extrémité est mise à la tension U1 et dont le pont milieu auquel est présente une tension de mesure Vth9 est relié à des thermistances à coefficient de température négatif CTN, l'extrémité opposée des thermistances étant mise à la masse. La tension de mesure Vth est ainsi une fonction décroissante de la température. Pour plus de détail concernant ce mode de régulation à pluralité de thermistances, on se reportera à la demande de brevet européen déposée par la Demanderesse et publiée sous le No 4 233. Elle est intitulée "DISPOSITIF DE REGULATION THERMIQUE D'UNE ENCEINTE, NOTAMMENT POUR CRISTAL PIEZO-ELEC- TRIQUE OSCILLANT, ET ENCEINTE COMPORTANT UN TEL DIS POSITIF". Il va de soi qu'une régulation de température peut être effectuée classiquement à partir d'un nombre de termistances quelconque supérieur ou égal à un. La tension U1 délivrée par le générateur de tension stabilisée 20 all aente égale@nent un deuxième pont diviseur (R2' P1' P2) constitué par une résistance fixe R2 montée en série avec deux résistances en parallèle (P1, P2), de rnanière à obtenir, avec des valeurs de résistances normalisées, une valeur précise d'une tension référence Vref présente à la borne commune à la résistance R2 et aux résistances P1 et P2. En variantes, ces deux résistances P1 et P2 peuvent être remplacées par un potentiomètre si on veut régler ou modifier la tension de référence Vire. L'autre borne de la résistance R2 est reliée à la tension stabilisée U1 et les autres bornes des résistances P1 et P2 sont reliées à la masse.La tension Vth est introduite à l'entrée non. inverseuse directe d'un emplifi- cateur opérationnel A0 dont l'entrée inverseuse est bouclée sur ellemême de manière à produire un fonctionnement en suiveur de tension. Ceci permet d'alimenter par la tension Vth au point 6 des entrées à basse impédance comme les entrées inverseuses des circuits de correction P.I.D. comme nous allons le décrire maintenant. La tension de référence V ref est introduite à l'entrée non inverseuse directe de trois amplificateurs opérationnels A1, A2 et A3 destinés respectivement aux corrections proportionnelle, intégrale et dérivée. Liamplificateur A1 à action proportionnelle présente à son entrée inverseuse une résistance R3 série disposée entre les bornes 6 et Il et une résistance de contre-réaction R4 disposée entre la borne de sortie 12 de l'amplificateur opérationnel A1 et la borne 11. On définira la borne 11 comme la borne d'entrée inverseuse directe, et la borne 6, comme la borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel Ale L'amplificateur A2 à action intégrale présente à son entrée inverseuse constituée par la borne 6' en contact électrique avec la borne 6 une résistance série R5 disposée entre les bornes 61 et 9 et une capacité d'intégration C2 disposée entre la borne de sortie 10 de l'amplificateur opérationnel A2 et la borne 9. Comme dans le cas précédent, on définira la borne 9 comme la borne d'entrée inver sense directe, et la borne 6' comme la borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel A2. L'amplificateur A3 à action dérivée présente à son entrée inverseuse constituée par la borne 6' en contact électrique avec les bornes 6 et 6' une capacité de dérivation C3 en série avec une résistance R16 qui sert à limiter le gain à haute fréquence. Une résistance R17 en contre-réaction entre la borne de sortie 10 de l'amplificateur et la borne d'entrée inverseuse directe de celui-ci repérée en 7 définit, conjointement avec la capacité C3 la constante de temps de dérivation jusqu'à la fréquence où la constante de temps R16 C3 ne laisse subsister qu'une action proportionnelle. En outre, une capacité C4 en parallèle sur la résistance R17 donne à l'amplificateur bouclé A3 un gain décroissant vers les fréquences élevées. On choisira classiquement pour cette fonction R17 C4 R16 C3. L'amplificateur A4 va avoir pour fonction de réaliser la sommation des tensions présentes en sortie des amplificateurs Al, A2 et A3 de marnière à produire un signal de commande. Si on désigne par f1 (p), f2 (p) et f3 (p) les fonctions de transfert des amplificateurs bouclés Al, A2 et A3, on aura, étant donné que les amplificateurs A1, A2 et A3 sont du type alimenté sous une seule tension en sortie de A1 au point 12: V1 = Vref + fl (P) (Vref - Vth) en sortie de A2 au point 10: V2 =Vref + f2 (p) (Vref et en sortie de A3 au point 8 : V3 = Vref + f3 (p) (Vref - Vth) La sommation de ces tensions donnera: V= V1 + V2 + V3 = 3Vref + (Vref - Vth) F (P) avec F (p) t 2 f1 (P) + f2 (p) + f3 (p) = correction apportée par le régulateur. Le terme 3Vref qui apparaît lors de la sommation est gênant car il représente une composante continue importante susceptible de saturer tout étage ultérieur. Selon l'invention, on introduit un arnplificateur A4 destiné à reatiser la sommation en même temps que la compensation. En choisissant un amplificateur A4 de gain g et en introduisant les valeurs V1, V2 et V3 à sommer à trois bornes inverseuses de celui-ci, c'est-à-dire en les reliant à l'entrée inverseuse directe de l'amplificateur opérationnel respectivement par trois résistances R8, R9 et R10 de même valeur, l'amplificateur A4 étant lui-même contre-réactionne par une résistance R@@, et en introduisant la tension Vth à la borne non inverseuse directe de l'amplificateur A4, il vient en sortie de ce dernier: V = Vth + g#)Vth - V3 + (Vth - V2) + (Vth - V1)# soit: V4 = (g + 3) Vth -g v = (g + 3) Vth - 3 g Vref + g (Vth - Vref) F (p) cest-à-dire:: V4 = Vth + g (Vth - Vref) (F (p) + 3) soit avec g= 1 qui est la valeur la plus appropriée en pratique: V4 = Vth + (Vth - Vref) (F (p) + 3) On obtient ainsi un terme de régulation avec la fonction de transfert F (p)+ 3, c'est-à-dire qu'au facteur g près, on a ajouté 3 au gain proportionnel intrinsèque du P.I.D., et un terme Vth proportionnel à la tension disponible au borne des CTN. Cette tension décroît avec la température et elle peut être utilisée comme tension de préchauffage pour une enceinte à chauffer en choisissant correctement les gains des amplificateurs et le pont diviseur de mesure, pour une température de chauffage de consigne donnée, de manière que le préchauffage, mis à part l'action propre de la régulation, mette l'enceinte et la maintienne à une teiperature voisine mais bien enterdu au plus égale à celle désirée. Le dispositif de régulation décrit ci-dessus présente donc cumulativement les avantages de fournir un régulateur économique puisque réalisé à partir d'une seule tension de polarité donnée, de découpler les fonctions proportionnelle, intégrale et dérivée et par conséquent de simplifier les réglages, et de fournir enfin une tension de préchauffage évoluant de manière inversement proportionnelle avec la température mesurée de l'enceinte à réguler, et qui apporte donc sa contribution propre au fonctionnement du régulateur. La tension de sortie V4 est appliquée à un amplificateur de puissance commandant le chauffage. L'amplificateur de puissance représenté est conforme à celui décrit dans la demande de brevet européen publiée sous le N 4 233 et déposée par la Demanderesse avec le titre suivant "DISPOSITîF DE REGULATION THERMIQUE D'UNE ENCEINTE, NOTAMMENT POUR CRISTAL PlEZO-ELEC- TRIQUE OSCILLANT, ET ENCEINTE COMPORTANT UN TEL DIS POSITIF". Ce montage permet de faire passer la même puissance dans les transistors T1 à T (avec homogène. Sur la figure, on a également représenté de manière classique, des capacités de découplage C1 de faible valeur qui peuvent éventuellement être mises en oeuvre. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits. Ainsi, on peut utiliser des thermistances à coefficient de température positif en les montant dans le pont diviseur à la place de la résistance R1 et en substituant éventuellement aux CTN une résistance fixe. On comprendra par ailleurs que les paramètres de réglage des actions proportionnelle, intégrale et dérivée du régulateur sera fait de la manière bien connue de l'homme de Part. On a représenté sur le dessin annexé des composants à valeur fixe arrêtée pour une régulation donnée après mise au point. I1 va de soi qu'un dispositif selon l'invention peut être équipé d'éléments variables (rds: :stances et/ou cap@cites) propres à permettre ie réglage des 3 actions du régularteur d'une manière bien connue de l'homme de l'art. D'autre part, la description ci-dessus a été donnée dans le cas de circuits alimentés sous-une tension positive. Le schéma est identique dans Se cas d'une alimentation sous tension négative, à ceci près, bien entendu, que le générateur 20 délivre une tension stabilisée négative et que dans !'amplificateur de puissance, le brochage des diodes Zener est inversé et que les transistors npn sont remplacés par des pnp. REVENDICATIONS 1. Dispositif de régulation à actions proportionnelle, intégrale et dérivée pour la régulation d'un pararnètre par délivrar;ce en sortie d'un signal de commande électrique de polarité donnée, caractérisé en ce qu'il comporte: - un dispositif de mesure (R1, CTN) délivrant une tension de mesure (Vth) suivant une fonction décroissante de la grandeur à mesurer; - un générateur de consigne délivrant une tension de référence (Vref);; - quatre amplificateurs opérationnels (A1 à A4) alimentés sous une seule tension de ladite polarité donnée et dont les trois premiers (A1 à A3) sont montés en parallèle et reçoivent chacun par leur entrée non inverseuse directe la tension de référence et à leur entrée inverseuse la tension de mesure et consistant le premier en un amplificateur (A1) à action proportionnelle, le second en un amplificateur (A2) à action intégrale et le troisième en un amplificateur ( 3) à action dérivée, et dont le quatrième (A4) reçoit par son entrée non inverseuse directe la tension de mesure (Vth et à son entrée inverseuse les sorties des trois premiers amplificateurs. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le quatrième amplificateur opérationnel (A4) a un gain égal à l'unité. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comlporte un amplificateur de puissance (Tl' Tc' Tn) recevant la tension de sortie du quatrième amplificateun opéra- tionnel (A4). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit paramètre est une température, en ce e3ue le dispositif de mesure est constitué par un pont diviseur (R1' CTN) alimenté en tension (U1) dans lequel est disposé au mois; un élément thermo-sensible (CTN). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément thermo-sensible est du type à coefficient de température négatif (CTN) et est raccordé entre la masse et le point (4) où est 4.sponible la tension de mesure (Vth) et en ce qu'il comporte une resistance électrique (R1) entre Jedit point et l'alimentation en tension (U1) du pont diviseur. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un cinquième amplificateur opérationnel (A0) monté en suiveur et recevant la tension de mesure à son entrée non inverseuse directe et dont la sortie est raccordée de manière à alimenter au moins un des quatre premiers amplificateurs opérationnels (A1) à A4) par la tension de mesure (Vth) 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le gain de l'ensemble est tel que l'application de la tension de mesure (Vth) seule à l'entrée non inverseuse directe du quatrième amplificateur opérationnel (A4) produit une pré-commande d'un dispositif à réguler à une valeur voisine de celle désirée, mais au plus égale à cellei.