Brevet FR2631140A1 — publié le 19891110

DISPOSITIF DE REGULATION DE TYPE P. I. D. A DEMARRAGE RAPIDE La présente invention a pour objet 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. Elle concerne notamment une régulation de température pour une enceinte chauffée contenant un résonateur piézoélectrique. Les régulateurs de type P.I.fl., c'est-ê-dire à actions proportionnelle, intégrale et dérivée sont bien connus dans les techniques de régulation. De tels régulateurs peuvent mettre en oeuvre des amplificateurs opérationnels. La tension de sortie de ces amplificateurs est égale à Ia différence entre les tensions d'entre multipliée par le gain de l'amplificateur, ce gain étant variable avec la fréquence pour les amplificateurs à actions intégrale ou dérivée. Certains types de régulation, notamment les régulations de température, ntont besoin de délivrer en sortie qu'une tension de commande de chauffage. Les dispositifs de régulation de type P. I. D. permettent d'obtenir une grande précision dans la régulation. Ils réagissent rapidement en régime établi, à une perturbation extérieure du paramètre à réguler. Malheureusement le temps de mise en route est assez long notamment à cause de l'amplificateur intégrateur. Un exemple de régulation de type P.I.D. est connu par le brevet français FR 2 536 553 déposé le 23 novembre 1982. Dans ce brevet, le dispositif de régulation à actions proportionnelle intégrale et dérivée, comporte un dispositif de mesure délivrant une tension suivant une fonction décroissante de la grandeur à mesurer, un générateur de consigne déllvrant une tension de reference et quatre amplificateurs opérationnels dont les trois premiers sont montés en parallèle et reçoivent chacun par leur entrée non inverseuse la tension de référence et à leur entrée inverseuse la tension de mesure. Le premier amplificateur est à action proportionnelle, le deuxième est à action intégrale et le troisième est à action dérivée. Le quatrième amplificateur reçoit à son entrée non inverseuse la tension de mesure et à son entrée inverseuse les sorties des trois premiers amplificateurs.Il joue un rôle de sommateur. Sa sortie permet d'attaquer un amplificRteur de puissance, par exemple. Or, à la mise sous tension, un tel circuit régulateur va se mettre en saturation, tant que la tension de mesure va rester très différente de la tension de référence. Ceci est dû à la valeur des tensions appliquées n l'entrée des amplificateurs et notamment à l'entrée de l'amplificateur intégrateur. Pour qu'ils se débloquent, il va falloir attendre que la différence de tension appliquée à l'entrée de l'intégrateur change de signe. Ce n'est qu'à ce moment que la régulation pourra débuter. Dans le brevet français FR 2 536 553, le paramètre que l'on veut réguler est une température et le dispositif de mesure est constitué par une première branche d'un pont alimenté en tension et dans lequel est disposé au moins un élément thermosensible. L'autre branche du pont, constitué de résistances et alimenté avec la même tension fournit en son milieu la tension de référence. LR tension d'alimentation est présente aux bornes de l'une des diagonales du pont, tandis qu'aux bornes de l'autre diagonale on obtient une tension différentielle avec laquelle on alimente les amplificateurs à actions proportionnelle intégrale et dérivée. L'amplificateur de puissance placé en sortie de l'amplificateur sommateur est un circuit de chauffage. Le fonctionnement d'un tel circuit est le suivant. A la mise sous tension, l'enceinte à réguler est à la température ambiante. Elle est différente et généralement inférieure à la température de référence. L'élément thermosensible a une résistance qui est telle que le pont n'est pas équilibré. La tension différentielle appliquée à 1 'entrée des amplificateurs va amener l'ampliflcateur intégrateur à se bloquer en saturation. Le circuit de chauffage va fonctionner au maximum de sa puissance et la température de l'enceinte va augmenter. Il va falloir attendre que la température de l'enceinte dépasse la température de référence pour que l'amplificateur intégrateur se débloque et que le dispositif de régulation se mette à fonctionner.A titre Indicatif, le temps de mise en température d'un circuit de régulation tel que décrit dans le brevet français FR 2 536 553 peut être compris entre 3 minutes et 30 minutes selon la puissance maximum de chauffage et les caractéristiques de l'enceinte à réguler. ta présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients. Elle présente un dispositif de régulation à actions proportionnelle, intégrale et dérivée à démarrage rapide. La présente invention propose - un dispositif de régulation à démarrage rapide à actions proportionnelle, intégrale et dérivée, pour la régulation d'un paramètre par délivrance d'un signal de commande électrique comportant - un circuit de mesure délivrant une tension de mesure fonction de la grandeur à mesurer, - un générateur de consigne délivrant une tension de référence, - un circuit de régulation à actions proportionnelle, intégrale et dérivée constitué d'amplificateurs opérationnels, délivrant en sortie le signal de commande representatif de l'écart entre la tension de mesure et la tension de référence, caractérisé en ce que le circuit de - régulation à actions proportionnelle, intégrale et dérivée est constitué d'un premier Amplificateur opérationnel du type pseudo-dérivateur non inverseur recevant sur son entrée non inverseuse la tension de mesure et sur son entrée inverseuse une masse et d'un second amplificateur opérationnel du type proportionnel intégrateur et inverseur,recevant sur son entrée inverseuse la sortie du premier amplificateur et sur son entrée non inverseuse la tension de référence. Un amplificateur de type pseudo-dérivateur est un amplificateur qui fonctionne comme un dérivateur pour les fréquences supérieures à sa fréquence de coupure. Pour les fréquences inférieures son gain est égal à un. Le fait d'utiliser dans ce circuit régulateur un amplificateur de type Intégrateur précédé d'un ampllflcateur de type pseudo-dérivateur permet que l'amplificateur de type intégrateur se débloque avant que la tension de mesure soit égale à la tension de référence. En effet, la tension présente en sortie du pseudo-dérivateur sera en avance de phase par rapport à la tension de mesure. Si de plus on utilise pour le premier et le second amplificateurs, des amplificateurs opérationnels identlques, le montage ainsi proposé permet d'annuler l'influence des tensions de décalage plus connues sous la dénomination tension d'offset en langue anglaise, néfastes à la précision des amplificateurs opérationnels et donc néfastes au bon fonctionnement de la régulation. Si le paramètre que 1 on veut réguler est une température, le dispositif de mesure pellet être constitué par un pont diviseur allmenté en tension dans lequel est disposé au moins un élément thermosensible. Le circuit de régulation peut être suivi d'un circuit amplificateur réalisant un asservissement de courant. La sortie de cet amplificateur peut alimenter. un amplificateur de puissance. L'amplificateur de puissance assurera alors le chauffage dans le cas où l'on veut réguler une température. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée titre d'exemple non limitatif en se reportant aux figures qui représentent - la figure 1 : un schéma électrique d'un mode de réalisation d'un dispositif de régulation selon l'invention; - la figure 2 : un diagramme de la température réelle en fonction du temps dans le cas d'un régulateur de type P.I.D. de l'art antérieur - la figure 3 : un diagramme de la température réelle en fonction du temps dans le cas d'un régulateur de type P. I.D. conforme à l'invention. Sur la figure 1, une tension d'alimentation positive UO, par exemple de + 12 Volts, est utilisée pour alimenter un générateur de tension stabilisée 1 délivrant en sortie une tension Ul. La tension U1 a pour valeur, par exemple +8 Volts, et est stabilisée avec précision. La tension U1 est destinée à l'alimentation d'un premier pont diviseur (R2, CTN) constitué d'une résistance R2 montée en série avec n thermistances CTN à coefficient de température négatif, elles-mêmes connectées en série. Une tension de mesure Vth est présente à la borne commune entre la résistance R2 et les thermistances CTN. Le nombre n de thermistances est un nombre quelconque supérieur ou égal à un. Sur la figure 1, on n'a représenté qu'une seule thermistance CTN. L'autre borne de la résistance R2 est portée à la tension U1.L'extrémité libre du 1 groupe de thermistances CTN est à la masse. La tension Vth est une fonction décroissante de la température. La tension U1 alimente également un deuxième pont diviseur (R1, R3) constitué par une résistance Ri fixe montée en série avec une résistance R3 variable, qui peut être remplacée par un potentiomètre. Ce pont permet de donner une valeur précise à une tension Vref, présente à la borne commune des résistances R1 et R3 et représente la consigne de l'asservissement. L'autre borne de la résistance R1 est reliée à la tension U1, l'autre borne de- la résistance R3 est à la masse. La température réelle Tth est donnée par le pont de résistances R2, CTN. La température de référence Tref est fixée par le pont RI, R3. Ce circuit en pont 22 est décrit dans les brevets français FR 2 418 953, FR 2 536 553, FR 2 593 945 au nom de la Demanderesse Nous allons maintenant décrire le circuit de régulation de type P. I. D objet de l'invention. La tension de mesure Vth est appliquée à l'entrée 8 non inverseuse d'un premier amplificateur opérationnel Al. Cet amplificateur Al réalise la fonction "pseudo-dérivateur" non inverseur. L'amplificateur Al est alimenté par la tension UO. La réponse en fréquence d'un pseudo-dérivateur est caractérisée par un gain de 0 décibel pour les fréquences inférieures à la fréquence de coupure. Pour les fréquences supérieures, son gain croît classiquement de 6 décibels par octave. L'entrée inverseuse de l'amplificateur Al est à la masse à travers une capacité de dérivation C2 mise en série avec une résistance R7. Une résistance R6 montée en parallèle avec une capacité C1 est placée en contre réaction entre la borne de sortie 10 de l'amplificateur Al et la borne d'entrée inverseuse repérée en 9. Le produit R7C1 limite le gain pour les hautes fréquences tandis que le produit R6C2 fixe la fréquence de coupure de l'amplificateur Al. La tension de référence Vref est appliquée sur l'entrée non inverseuse 11 d'tin second amplificateur opérationnel A2. Cet amplificateur - A2 réalise la fonction intégrateur proportionnel et inverseur. L'amplificateur A2 présente à son entrée inverseuse 12 une extrémité d'une résistance R8. L'autre extrémité de la résistance R8 est reliée à la borne 10 de sortie de l'amplificateur Al. L'amplificateur A2 est alimenté par la tension UO. Une résistance R9 en série avec une capacité C3 est placée en contre réaction entre la borne 12 de l'entrée inverseuse de l'amplificateur A2 et la sortie de cet amplificateur référencée 13. Le produit R9C3 fixe la fréquence de coupure de l'amplificateur A2 tandis que le rapport R9/R8 fixe le gain pour les fréquences supérieures à la fréquence de coupure. Le signal délivré sur la borne 13 est un signal réprésentatif de l'écart entre la température réelle de l'enceinte Tth et la température de référence Tref La tension présente en sortie de l'amplificateur A2 sur la borne 13 attaque un circuit d'amplification 20 réalisant un asservissement de courant.Ce circuit d'amplification 20 commande dans notre réalisation un circuit de chauffage 21, constitué d'une chaine de transistors de type Darlington, de préférence, montés en série et référencés T1 à Tn Le nombre n de transistors est supérieur ou égal à un. Le transistor T1 assure à la fois la fonction de transistor de commande et de transistor de chauffage. Son émetteur est connecté à la masse par l'intermédiaire d'une résistance d'émetteur R19. te circuit d'amplification 20 est constitué d'un amplificateur opérationnel A3, alimenté par la tension U0, recevant sur son entrée inverseuse, représentée par la borne 15, à travers une résistance R10. la tension de sortie de l'amplificateur A2. De même, la sortie du générateur 1 est connectée par l'intermédiaire d'une résistance Ri i à la borne 15 de l'amplificateur A3. Une résistance R16 est connectée entre la résistance d'émetteur R19 et la borne 15. L'entrée non inverseuse de l'amplificateur A3 repérée par la borne 14 est soumise à une fraetion de la tension U1 obtenue par un pont de résistances R12, R13. Le point commun entre ces deux résistances est la borne 14 L'autre extrémité de la résistance R12 est reliée à la sortie du générateur 1, tandis que l'autre extrémité de la résistance R13 est à la masse. La tension présente sur la borne 14 est fixe et est choisie en fonction de la tension que l'on obtient en sortie de l'amplificateur A2. Le gain en courant de l'amplificateur A3 est lié uniquement aux valeurs des résistances R10, R11, R16, R19. La sortie de l'amplificateur A3, repérée par la borne 16 alimente un pont diviseur constitue des résistances R14, R15. La borne commune 17 entre la résistance R14 et la résistance R15 est reliée à la base du transistor de commande T1 La résistance R14 est placée entre la borne 16 et la borne 17, tandis que la résistance R15 est placée entre la borne 17 et la masse. Ce pont diviseur, de valeur convenable permet d'obtenir sur la borne 17 une tension inférieure à la tension de sortie de l'amplificateur A3. La tension présente sur la borne 17 doit être Inférieure à la tension de blocage de la base du transistor T1. On va maintenant décrire plus en détails le circuit de chauffage 21. Les n transistors T1 à T sont montés en série. n Le collecteur du transistor T1 est relié à l'émetteur du transistor T2 et ainsi de suite. Les bases des transistors T2 à T n sont connectées à un pont diviseur commun constitué de résistances R21 à R2n Ces n résistances en série sont montées entre le point commun des résistances R16 et R19 et une tension d'alimentation positive U2 de 12 Volts, par exemple. Le collecteur du transistor T n est relié à la tension d'alimentation U2. Les transistors T1... Tn sont de préférence de type Darlington, de manière à diminuer le courant dans le pont de résistances R21 à R2n Un transistor Q1, dont a base est reliée au point commun entre la résistance R16 et la résistance R19, permet de limiter le courant maximal de l'asservissement de courant et donc le courant traversant la chaine de transistors T1 à T. n Le collecteur du transistor Q1 est relié à la base du transistor T1, son émetteur est à la masse. Sur la figure 1, on a représenté de manière classique, des capacités de découplage C'. Le circuit d'amplification 20, le circuit de chauffage 21, et le circuit en pont 22 sont décrits en partie dans au moins un des brevets français FR 2 418 953, FR 2 536 553 et FR 2 593 945. Dans le cas où le circuit de régulation thermique qui vient d'être décrit sert à la régulation de la température d'un résonateur piézoélectrique contenu dans une enceinte close, les thermistances CTN et les transistors de chauffage T1 à Tn sont directement fixés sur l'enceinte. On va voir maintenant le fonctionnement du régulateur å actions proportionnelle intégrale et dérivée au démarrage. La température réelle Tth évolue de manière monotone. Lorsque lton applique la tension Vth à l'entrée du pseudo-dérivateur Al on obtint en sortie une tension Vder A cette tension Vder correspond une température Tder Cette tension Vder est en avance de phase sur a tension Vth, à cause de Vder la fonction dérivateur. La température Tder sera aussi en avance par rapport à Tth. C'est la tension Vder que l'on applique sur l'entrée inverseuse de l'amplificateur intégrateur A2. La tension Vref est appliquée sur son entrée non inverseuse. Au démarrage, l'amplificateur A2 est saturé et il ne se débloque que lorsque Vder = Vref En raisonnant en température, l'amplificateur A2 se débloquera lorsque Tuer: Tref A cet instant bien que la température réelle Tth n'ait pas encore atteint la température de référence Tref le circuit régulateur se met à réguler. Les figures 2 et 3 représentent des diagrammes de la température réelle Tth en fonction du temps. La figure 2 s'applique à un circuit régulateur de température de type P.I.D. de l'art antérieur tel que décrit dans le brevet français FR 2 563 553. La figure 3 s'applique à un circuit régulateur de température de type P. I. D. conforme à l'invention. Le temps de démarrage peut se décomposer en trois parties dans chacun des css-. Sur la figure 2 on obtient Entre t0 et tl, le régulateur est saturé, le circuit de chauffage fonctionne au maximum et la température réelle Tref augmente linéairement. Entre t1 et t2 le régulateur passe de l'état saturé au régime établi. Il y a surosciliation car l'amplificateur se débloque lorsque Tth est superieure -à Tref Au-delà de t2, ctest le régime établi, le régulateur fonctionne et la température réelle Tth est stabilisée à la température de référence Tref Sur la figure 3 on obtient Entre t'0 et t'1, le régulateur est saturé, le circuit de chauffage fonctionne au maximum et la température réelle Tref augmente linéairement. La valeur de cet intervalle de temps ne dépend pas du type de régulateur utilisé. Elle est la même dans les deux cas. Entre t'1 et t'2 le régulateur passe de l'état saturé au régime établi. Ce temps est beaucoup plus court que dans l'art antérieur grâce à l'action de l'amplificateur pseudo-dérivateur Al placé devant l'amplificateur intégrateur A2. Après t'2, le température Tth est stabllisée, ctest le régime établi. Des mesures ont montre que pour la régulation thermique de la même- enceinte - avec un régulateur de type P.I.D. de l'art antérieur, l'intervalle totl est de l'ordre de 3 minutes, l'intervalle t t est de l'ordre dte 3 minutes, - avec un régulateur de type P. I. D. conforme à l'invention, l'intervalle t'0t'l est de l'ordre de 3 minutes, l'intervalle toit'2 est de ]'ordre de 30 secondes. Le temps gagné au démarrage en utilisant un régulateur à pseudo-dérivateur suivi d'un intégrateur est appréciable. Le fait d'utiliser, dans le régulateur conforme à l'invention, deux amplificateurs opérationnels Al et A2 identiques, permet d'annuler l'influence des tensions de décalage néfastes à le précision de la régulation. Car l'amplificateur Al est monté en non inverseur alors que 'l'amplificateur A2 est monté en inverseur. Il est évident pour l'homme de l'art que toutes les variantes décrites dans les brevets français FR 2 418 953, FR 2 536 553 et FR 2 593 945 en ce qui concerne les circuits en pont, le circuit d'asservissement et le circuit de chauffage peuvent s'appliquer à la présente demande. En particulier, il est possible d'alimenter tous les circuits avec une tension négative. Bien entendu, les transistors de chauffage de type NPN seraient remplacés par des transistors PNP. REVENDICATIONS 1. Dispositif de régulation à démarrage rapide à actions proportionnelle, intégrale et dérivée, pour la régulation d'un paramètre par délivrance d'un signal de commande électrique comportant - un circuit de mesure (R2, CTN) délivrant une tension de mesure (Vth)- fonction de la grandeur à mesurer, - un générateur de consigne délivrant une tension de référence (Vref), - un circuit de régulation à actions proportionnelle intégrale et dérivée constitué d'amplificateurs opérationnels (Al, A2) délivrant en sortie le signal de commande représentatif de l'écart entre la tension de mesure (Vth) et la tension de référence (Vref)g caractérisé en ce que le circuit de régulation à actions proportionnelle, intégrale et dérivée est constitué d'un premier amplificateur opérationnel (Al) du type pseudo-dérivateur non inverseur recevant sur son entrée non inverseuse la tension de mesure (Vth) et sur son entrée inverseuse une masse et d'un second amplificateur opérationnel (A2) du type proportionnel, intégrateur et inverseur recevant sur son entrée inverseuse la sortie du premier amplificateur (Al) et sur son entrée non inverseuse la tension de référence (Vref) 2. Dispositif de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les amplificateurs opérationnels (Al, A2) sont identiques afin d'annuler l'influence des tensions de décalage introduites par chaque amplificateur opérationnel (Al, A2). 3. Dispositif de régulation selon l'une des -evendicatlons 1 ou 2, caractértsé en ce qu'il comporte un circuit amplificateur (20) assurant un asservissement de courant et recevant la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel (A2). 4. Dispositif de régulation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le paramètre à réguler est une température. 5. Dispositif de régulation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de mesure (R2, CTN) est un pont diviseur contenant au moins un élément thermosensible (CTN) . 6. Dispositif de régulation selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la sortie du circuit amplificateur (20) alimente un circuit de chauffage (21) reallsé par une chaîne de transistors (T1...Tn) montés en série entre eux. 7. Dispositif de régulation selon la revendication 6, caractérisé en ce que les transistors (T1... Tn) sont de type Darlington. 8. Dispositif de régulation selon l'une des revendications 1 ou 7, caractérisé en ce que les amplificateurs (A1, A2) sont alimentés sous une seule tension.