Brevet FR2617615A1 — publié le 19890106

"Installation de régulation utilisant une précision de grandeur de régulation pour,commander la grandeur de réglage" ETAT DE LA TECHNIQUE La présente invention concerne une installa- tion de régulation du type installation de régulation de procédés qui peuvent être traduits de manière ap- prochée par un élément de temporisation ayant une constante de temps Ts et un temps mort Tt, en utili- sant une précision de la grandeur de régulation pour commander la grandeur de réglage. La régulation de procédé soumis à des temps morts, régulation qui se fait de manière générale à l'aide d'un élément de temporisation et dont on fait l'approximation à l'aide d'un élément de temps mort doit se faire avec une faible amplification de réglage pour que le circuit de régulation reste stable. Il en résulte que l'organe de régulation ne réagit que len- tement à des perturbations ou des parasites et pour de nombreuses applications ne peut satisfaire aux condi- tions posées. Pour remédier aux inconvénients qui se pré- sentent dans des procédés soumis à des temps morts, on a déjà développé le dispositif prévisionnel de Smith décrit dans ISA Journal, pages 28 à 33, publication de février 1959, tome 6, numéro 2. Le principe fondamen- tal du dispositif prévisionnel de Smith consiste à in- troduire un élément de temps mort correspondant au procédé à réguler dans le circuit de régulation de ma- nière à compenser complètement les temps morts dans la mesure o les paramètres fixés restent constants. Si des déviations se présentent dans les paramètres du procédé, comme pour l'amplification, la durée de la temporisation, le temps mort, il suffit d'une faible déviation pour que le circuit de régulation devienne instable. AVANTAGES DE L'INVENTION La présente invention concerne une installa- tion de régulation caractérisée en ce que la grandeur de régulation y(k) et les m grandeurs de réglage pré- cédentes {u(k - m), u(k - m - 1),..., u(k - 1)}, sont détectées par un dispositif prévisionnel (PD) au cours d'un intervalle de temps prédéterminé (TA) et sont mises en mémoire de façon intermédiaire, et à partir des données des m détections obtenues on déter- mine à l'instant de détection k, la prévision de la grandeur de régulation y(k + m) qui se produira à l'instant (k + m) en utilisant l'équation y(k + m) = al{.... [alf{a{aly(k) + blu(k - m)} + bju[k - (m-l)] ) b1u[k - (m 2)]] + b1u(k - 1) (7) à l'aide du dispositif prévisionnel (PD); et à partir de la déviation entre la valeur de consigne et la va- leur évaluée y(k + m) on forme la grandeur de réglage à l'aide d'un organe de régulation (R), a, et b, étant des constantes prédéterminées. Une telle installation de réglage offre l'a- vantage que les variations des paramètres qui se pré- sentent pendant le procédé peuvent avoir des oscilla- tions importantes sans que le comportement de la régu- lation ne soit influencé. Le dispositif prévisionnel peut faire une prévision à partir des valeurs précé- dentes des grandeurs de régulation et des grandeurs de réglage, prévision qui correspond à une valeur qui s"établit seulement après un nombre m de points de dé- tection. Cette valeur qui peut également être appelée valeur d'évaluation, se détermine par un nombre de phases de calcul qui correspond au nombre m. La valeur d'évaluation est alors combinée à la valeur de consi- gne par exemple en appliquant la différence entre la valeur de consigne et la valeur évaluée à l'entrée du dispositif de régulation dont la sortie règle le pro- cédé. Le nombre m de phases de détection peut se déterminer par l'équation m = Tt/TA, Tt étant le temps mort et TA le taux de détection. Toutefois, il est également possible de réduire le nombre m pour le cal- cul de façon qu'un nombre réduit mred d'opérations de calcul soit suffisant pour calculer la valeur évaluée. Pour cela il faut qu'en fonction du nombre réduit mred on raccourcisse la durée de temporisation Ts ce qui se fait par le calcul en adaptant les constantes a, dans l'équation prévue à cet effet. Il est ainsi possible d'obtenir la valeur évaluée de la grandeur-de régula- tion déjà après 1/10 des phases de détection m. De ce fait, il faut moins de temps de calcul et une capacité de calcul moindre pour le système de régulation. Pour la compensation de déviation de régula- tion à caractère statistique ou très lente il est avantageux d'associer un circuit de régulation externe au dispositif de prévision, circuit de régulation qui compense ces influences avec des constantes de temps plus grandes. La constante de temps doit être choisie suffisamment grande pour ne pas influencer la dynami- 2 617615 que du dispositif de prévision qui forme un circuit de régulation interne. Le circuit de régulation interne qui com- prend le dispositif de prévision peut en outre être compensé au moins approximativement vis-à-vis des in- fluences parasites connues et inconnues. Ainsi, des influences parasites connues peuvent être par exemple combinées aux grandeurs de réglage en procédant par multiplication ou addition. Les influences parasites inconnues sont éliminées approximativement par l'in- troduction d'éléments de compensation connus tels qu'un élément à temps mort et un élément de temporisa- tion. L'installation de régulation selon l'inven- tion utilise un dispositif de prévision à détection encore appelé dispositif de prévision m pas et il con- vient notamment pour réguler des procédés de mise en oeuvre tels que ceux qui se présentent dans les véhi- cules. L'installation de régulation convient également pour d'autres procédés qui peuvent se décrire au moins approximativement à l'aide d'un élément de temporisa- tion du premier ordre et d'un élément à temps mort. DESSINS_ La présente invention sera décrite ci-après à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma bloc de la structure de base du dispositif prévisionnel de Smith, - connu. - la figure 2 montre l'installation de régu- lation selon l'invention comportant un dispositif pré- visionnel à détection. - la figure 3 est un schéma équivalent du dispositif prévisionnel représenté à la figure 2. - la figure 4 montre les phases ou étapes de calcul exécutées par le dispositif prévisionnel selon l'invention. - la figure 5 montre un exemple de réalisa- tion avec un circuit de régulation externe pour com- penser les influences de longue durée. - la figure 6 montre un exemple de réalisa- tion comportant une installation pour compenser les influences parasites connues. - la figure 7 montre un exemple de réalisa- tion équipé d'une installation pour compenser des in- fluences parasites inconnues. - Le dispositif prévisionnel de Smith repré- senté à la figure 1 forme une installation de régula- tion pour un procédé P qui se décrit au moins approxi- mativement par un élément de temporisation VG et un élément à temps mort TG. Le procédé se décrit ainsi par l'équation différentielle suivante: Tsy, (t) + y, (t) = Vs x u(t) (1) Pour la grandeur de régulation y(t) on a la formule suivante: y(t) = Yi (t-Tt) (2) dans laquelle TA (3) al = e Ts b, = Vs (1-a:) (4) Tt - Tt M = (5) TA Ainsi l'équation différentielle suivante est équivalente à l'équation différentielle 1: y(k + 1) = aly(k) + bju(k - m) (6) Dans cette équation: TA taux de détection Vs coefficient d'amplification Ts constante de temporisation Tt temps mort u(t) grandeur de réglage y(t) grandeur de régulation y(k) grandeur de régulation à l'instant k y(k + 1) grandeur de régulation à l'instant k + 1 u(k - m) grandeur de réglage à l'instant k - m. L'opérateur s indiqué dans le dessin est l'opérateur de Laplace. La valeurATt est la plus petite grandeur telle que L T. divisible par TA. L'installation de régulation proprement dite comporte ainsi en plus des éléments de temporisation VG1 et VG2 qui copient le procédé P, un élément de tempsmort TG1. Si les paramètres des éléments de si- mulation correspondent aux paramètres du procédé P, on arrive à une compensation totale du temps mort. L'or- gane de régulation R existant dans le système de régu- lation peut ainsi présenter un coefficient.d'amplifi- cation important permettant de réguler très rapidement les parasites qui arrivent. Le système ne fonctionne toutefois que si l'imitation réalisée par le système est une approximation très proche du procédé à régu- ler. Par contre, s'il y a par exemple une déviation du temps mort de 10 %, cette installation de régulation, connue devient instable et le procédé P ne peut plus être asservi sur la grandeur de consigne w(t) souhai- tée. La structure de principe de l'installation de régulation selon l'invention comportant un disposi- tif prévisionnel à détection PD est représentée à la figure 2. Le dispositif prévisionnel PD évalue la grandeur de régulation y(k) à partir des grandeurs de mesure disponibles. Il effectue une prévision de la grandeur de régulation à l'instant (k + m) en fournis- sant la valeur évaluée y (k + m) de la grandeur de ré- gulation. La prévision sur m pas peut se déterminer à l'aide de l'équation suivante: y(k + m) = a1{.... [al{al{a1y(k) + b1u(k - m)} + blu[k - (m-l)]} I y(k + 1) y(k + 2) b1u[k - (m - 2)]] + b1u(k - 1) (7) L'équation (7) s'obtient comme suit: partant de l'équation (6) on a à l'instant (k + m) y(k + m) = ajy[k + (m - 1)] + b1u(k - l) (8) La prévision y(k + m) se déduit ainsi de la prévision y[k +'(m - 1)] et la mesure u(k - 1): y(k + m) = a1y[k + (m - 1)] + blu(k - 1) (9) On peut ainsi déterminer la prévision y[k + (m - 1)] et d'autres grandeurs prévisionnelles à partir des équations 10: i[k + (m - 1)] = a1y[k + (m - 2)] + bju(k - 2) (10) y(k + 1) = aly(k) + b1u(k - m) Si à l'instant k on peut obtenir une valeur évaluée y qui se produira à l'instant (k + m) c'est- à-dire après m pas. La prévision peut se faire en con- tinu à chaque instant par un calcul prévisionnel. La figure 3 donne un schéma équivalent mon- trant le dispositif prévisionnel sous la forme d'un filtre à m boucles. Un tel filtre à m boucles fonc- tionne n fois plus vite qu'un filtre linéaire. La figure 4 montre les étapes de procédé exécutées par le calculateur, pendant une boucle de calcul. Lors d'une prévision à m pas il faut que le calculateur exécute m telles boucles de calcul pour obtenir la valeur d'évaluation recherchée y (k + m). On donnera ainsi après à l'aide d'un exemple de calcul, une possibilité de réaliser le dispositif prévisionnel pour qu'il permette d'obtenir une prévi- sion aussi rapidement que possible avec un nombre aus- si réduit que possible de phases ou de pas de détec- tion. Dans l'exemple de calcul on suppose un taux de détection TA = 5 msec, une durée de temporisation Ts = 1/3Tt, un coefficient d'amplification Vs = 1 et un temps mort Tt = 600 msec. Ainsi, à partir de l'équa- tion m = Tt/TA on obtient 120 pas de*détection et Ts = 200 msec. Pour la constante a1 on a: a, = 0,9753. Si on suppose maintenant pour le dimension- nement du dispositif de prévision Ts = 20 msec ou a, = 0,779, on peut pour m = 12 obtenir une valeur évaluée significative déjà après le premier pas de détection. La rapidité du filtre peut ainsi être augmentée de ma- nière considérable et l'organe de régulation peut ain- si se régler de manière très efficace. Cela permet d'établir des prescriptions de dimensionnement pour réaliser un dispositif prévisionnel beaucoup plus ef- ficace vis-à-vis des variations et des paramètres. La durée de temporisation déterminante pour le calcul T5r ou la constante air doivent être choisies aussi peti- tes que possible pour réduire au minimum le nombre de multiplications et d'arriver à une réaction d'autant plus rapide de l'installation de régulation. L'organe de régulation peut ainsi être réglé avec une plus for- te amplification c'est-à-dire une plus grande effica- cité. L'efficacité du circuit de régulation est assurée au moins dans les plages suivantes: mr x TA Tt Si le procédé à réguler est soumis à des dé- viations de régulation statistiques de la grandeur Vs, on associe un circuit de régulation externe au circuit de régulation interne comme cela est indiqué à la fi- gure 5; ce circuit externe se compose principalement d'un intégrateur IG et d'un amplificateur commandé VG à coefficient d'amplification réglable a. Les erreurs stationnaires peuvent être corrigées automatiquement à l'aide de l'intégrateur IG en.prenant soin de choisir la constante de temps d'intégration Ta suffisamment grande pour que la dynamique du circuit de régulation interne ne soit pas influencée. Par une équation récu- rante: a(k + 1) = a(k) + TA/Ta x e(k) (13) On adapte ainsi lentement le coefficient a pour faire disparaître la déviation de régulation ré- manente. L'utilisation du dispositif prévisionnel à m pas, PD peut s'envisager en liaison avec les types d'organes de régulation classiques, différents tels qu'un organe de régulation PID, un organe de -régula- tion optimum à un pas ou autres, pour tous les procé- dés qui peuvent se décrire de manière approchée à l'aide d'un élément de temporisation et d'un élément à temps mort. Les paramètres du circuit de régulation interne se règlent de manière fixe une seule fois si bien que l'ajustage se limite seulement à la constante de temps d'intégration Ta du circuit de régulation externe, d'un cas à l'autre en utilisant un potentiomètre. Les figures 6 et 7 montrent d'autres exem- ples de réalisation; selon la figure 6 on compense les influences parasites, connues du procédé P par la multiplication de signaux correspondants Zl à la va- leur de réglage u(k) dans un multiplicateur M. Selon la figure 7, on compense les influen- ces parasites inconnues Z2, de manière approchée par l'insertion d'un élément à temps mort TG3 et d'un in- tégrateur IG3 en combinant une valeur évaluée Z à une grandeur de réglage (k) pour obtenir une valeur éva- luée û(k). R E V E N D I C A T I ONS 1l) Installation de régulation de procédés qui peuvent être traduits de manière approchée par un élément de temporisation ayant une constante de temps Ts et un temps mort Tt, en utilisant une précision de la grandeur de régulation pour commander la grandeur de réglage, installation caractérisée en ce que la grandeur de régulation y(k) et les m grandeurs de ré- glage précédentes {u(k - m), u(k - m - 1),...,.u(k - 1)}, sont détectées par un dispositif prévisionnel (PD) au cours d'un intervalle de temps prédéterminé (TA) et sont mises en mémoire de façon intermédiaire, et à partir des données des m détections obtenues on détermine à l'instant de détection k, la prévision de la grandeur de régulation y(k + m) qui se produira à l'intant (k + m) en utilisant l'équation y(k + m) = a1t...[al{al{aly(k) + blu(k - m)} + b1u[k - (m-l1)] + b1u[k - (m - 2)]] + blu(k - 1) (7) à l'aide du dispositif prévisionnel (PD); et à partir de la déviation entre la valeur de consigne et la va- leur évaluée y(k + m) on forme la grandeur de réglage à l'aide d'un organe de régulation (R), a, et b1 étant des constantes prédéterminées. 2 ) Installation de régulation selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que le nombre m de - pas de détection est défini par l'équation m = Tt/TA, équation dans laquelle Tt est le temps mort et TA le taux de détection. 3 ) Installation de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que pour le nombre m on utilise un nombre réduit mred de *pas de détection et pour la constante a, on utilise une valeur réduite correspondante pour calcu- ler la valeur d'évaluation y(k + m). ) Installation de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'un circuit de régulation externe est associé au circuit de régulation comprenant le dispositif prévi- sionnel (PD), circuit de régulation externe qui effec- tue à l'aide d'un intégrateur (IG) à plus grande cons- tante de temps Ta, une compensation de longue durée des déviations statistiques de régulation. 50) Installation de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la grandeur de réglage u(k) avant la détection est corrigée par le dispositif prévisionnel (PD) en cas de grandeurs parasites connues (zi) en fonction de ces grandeurs parasites. ) Installation de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le signal de sortie prévisionnel est appliqué à un soustracteur par l'intermédiaire d'un élément à temps mort (TG3) et à un soustracteur qui reçoit éga- lement la grandeur de régulation y(k), et son signal de sortie est combiné par un intégrateur (IG3) à la grandeur de régulation u(k) comme grandeur de réglage appliquée à l'entrée du dispositif prévisionnel (PD).