Brevet FR2688075A1 — publié le 19930903

La présente invention concerne les régulateurs numériques autoadaptatifs dans lesquels les coefficients du régulateur sont définis à chaque période d'échantillonnage. Ces régulateurs numériques sont utilisés à la place des régulateurs numériques de type analogiques classiques avec des performances nettement plus élevées. Ces régulateurs peuvent par exemple être des régulateurs de tableau monoboucles contenus dans des boîtiers normalisés que l'on place dans des armoires de commande et qui comportent une connexion destinée aux capteurs et une connexion destinée à la commande. De tels régulateurs de tableau sont utilisés par exemple pour des installations industrielles à réguler comportant un faible nombre de boucles de régulation, par exemple inférieur à 5 ; les installations à réguler peuvent être par exemple des fours électriques à chambre de petite taille utilisées pour un traitement thermique, la cuisson de céramiques, la fusion de métaux, etc.... L'invention s'applique également à des régulateurs numériques constitués par des systèmes informatiques spécialisés de supervision et de contrôle utilisés en particulier pour des grosses installations industrielles comportant au moins cinq boucles de régulation, telles que les fours de traitement thermique dans le secteur automobile, les fours de cuisson de céramiques sanitaires, etc.... Actuellement, l'initialisation de tels régulateurs de tableau ou systèmes informatiques est une opération longue et difficile qui requiert l'assistance d'un spécialiste des techniques d'automatisation. Les procédés utilisés pour l'initialisation d'un régulateur numérique utilisent en particulier la méthode des moindres carrés récursifs. I1 n'existe pas actuellement de procédure automatique d'initialisation de tels régulateurs. La présente invention se propose de fournir un procédé d'initialisation d'un régulateur autoadaptatif qui est simple, qui ne nécessite pas l'assistance d'un spécialiste et qui peut être mis en oeuvre de manière automatique, en particulier par un programme informatique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'initialisation d'un régulateur autoadaptatif comportant un régulateur P.I.D. et régulant le fonctionnement d'une installation industrielle telle qu'un four électrique, en vue de calculer les paramètres principaux du régulateur, caractérisé par les étapes suivantes - a) on enregistre les grandeurs facilement accessibles de l'installation à réguler, en particulier la valeur de consigne du paramètre à réguler - b) on fait fonctionner l'installation en utilisant un régulateur à action proportionnelle jusqu'à obtenir une stabilisation du paramètre à réguler puis on mesure le bruit pendant une durée déterminée - c) on commande l'installation par un premier relais numérique, au début de cette étape on mesure le retard pur, puis, après quelques oscillations du paramètre à réguler, on calcule les paramètres du régulateur P.I.D. en utilisant les formules de Ziegler et Nichols en respectant une marge de phase de 60" ; - d) après les oscillations de l'étape précédente, on fait fonctionner le régulateur P.I.D. en boucle fermée et on le commande par un deuxième relais numérique et, après quelques oscillations du paramètre à réguler, on mesure la fréquence de ces oscillations et on en déduit la pulsation du système bouclé pour un déphasage égal à - 1800;; - e) le système bouclé est commandé par un troisième relais numérique suivi d'un intégrateur, puis, après quelques oscillations du paramètre à réguler, on mesure la fréquence de ces oscillations et on en déduit la pulsation du système bouclé pour un déphasage égal à - 90" et on calcule les constantes de temps du système bouclé, à partir desquelles on calcule les paramètres du régulateur autoadaptatif - f) le système bouclé est stabilisé à la valeur de consigne du paramètre à réguler. Avantageusement, la mesure du bruit est réalisée pendant une minute. Selon une autre caractéristique de l'invention, le nombre d'oscillations des phases c),d) et e) est égal à 3. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'amplitude du relais numérique utilisé au cours de l'étape c) est égale à ucX si uc 1 - ucX si ucX > à 0,5 uc étant la valeur du signal de commande (uc) obtenue lors de la stabilisation de l'étape b). Selon encore une autre caractéristique de l'invention, l'amplitude des relais numériques utilisés au cours des étapes d) et e) est calculée de telle manière que la variation résultante du signal de commande du régulateur P.I.D. n'est pas supérieure à ucX si ucX 2 1 - ucX si ucX > à 0,5, 2 uc étant la valeur du signal de commande (uc) obtenue lors de la stabilisation de l'étape b). D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront de la description qui suit, faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est le schéma fonctionnel d'un régulateur autoadaptatif - les figures 2 à 6 illustrent différentes phases du procédé selon l'invention ; et - la figure 7 est un diagramme illustrant le procédé selon l'invention. La figure 1 est un schéma bloc fonctionnel du logiciel mis en oeuvre dans un régulateur numérique autoadaptatif qui commande une installation à réguler schématisée en 1, qui reçoit une commande uc et fournit une grandeur y qui est le paramètre à réguler. R,S et T désignent les paramètres du régulateur autoadaptatif, yc désigne la valeur de consigne du paramètre y, ycl désigne la valeur filtrée de la consigne, u désigne la valeur de la consigne du régulateur P.I.D. 2 qui fournit la valeur de commande uc. Le système identificateur est schématisé en 3. Le procédé d'initialisation selon l'invention permet de déterminer les caractéristiques dynamiques du système décrit à la figure 1. Le procédé d'initialisation a pour but de calculer les six paramètres principaux qui sont indispensables au fonctionnement du système de régulation. Ces paramètres sont - le retard pur, d, du système - la constante d'intégration, Ti, du régulateur P.I.D. 2 - la constante de dérivée, Td, du régulateur P.I.D. 2 - le gain statique, K, du régulateur 2 ; et - les constantes de temps 7;1 et 7;2 du système bouclé constitué par l'installation 1 et le régulateur 2. Les autres paramètres qui sont nécessaires pour le fonctionnement du système de régulation sont déduits des valeurs des constantes de temps r1 et 7;2. Ces paramètres sont - la période d'échantillonnage, Te - la constante de temps, tC, du modèle de référence du régulateur constitué par les blocs R,S et T - l'horizon de stabilisation, HORI, et, - la constante de temps du filtre de l'identificateur 3, If. L'invention sera décrite dans le cas où l'installation à réguler est constituée par un four électrique. Dans une première étape qui est réalisée de manière non automatique par l'opérateur, ce dernier entre dans le système informatique réalisant la régulation les grandeurs qui sont facilement accessibles. Dans le cas d'un four, il s'agit des cinq grandeurs suivantes - la puissance installée de l'installation 1 à réguler en kW - le volume utile du four en m3 - le type d'isolant constituant le four (brique lourde, brique légère, mélange brique légère et fibre céramique, fibre céramique) - l'échelle de température que le processus est susceptible de balayer en degrés C ; et - la température de consigne yc en degrés C. Lorsque ces cinq données sont rentrées dans le système informatique, la procédure d'initialisation proprement dite commence ; il s ' agit d'une procédure entièrement automatique qui est avantageusement commandée par un logiciel. Dans une deuxième étape, 11 installation à réguler 1 est commandée par un correcteur proportionnel pur 11 dont le paramètre, K, est calculé de manière automatique, comme représenté sur la figure 2 et on fait fonctionner l'installation à réguler 1 ; dans le cas d'un four, on le fait monter en température. La température du four se stabilise à une température qui est inférieure à la valeur de consigne yc. Lorsque la stabilisation est obtenue, on mesure le bruit pendant une durée fixe qui peut être choisie égale à une minute. Les valeurs stabilisées de la commande et de la température sont désignées par ucX et y. Du fait que le bruit de mesure se situe en général dans un domaine de fréquences élevé, la durée de mesure sur une minute est suffisamment longue pour donner un résultat très significatif. La durée de la mesure peut par exemple être choisie entre 30 s à 99 mn. La troisième étape est démarrée lorsque la stabilisation a été obtenue au cours de la deuxième étape. Dans cette troisième étape, l'installation à réguler 1 est commandée par un relais numérique d'amplitude 21. La valeur du retard pur, d, est mesurée au début de cette troisième étape. Au cours de cette troisième étape, la valeur de commande uc oscille et, après quelques oscillations, par exemple au nombre de 3, on passe à l'étape suivante et on calcule les paramètres du régulateur P.I.D. en utilisant les formules de Ziegler et Nichols en respectant une marge de phase de 60". En fait, le système se stabilise en dynamique après quelques oscillations. Par expérience, il s'avère que trois oscillations est le nombre minimal nécessaire. I1 est bien entendu possible de faire la mesure après plus de trois oscillations, mais dans ce cas la durée du procédé d'initialisation sera augmentée en conséquence. L'amplitude dl du relais numérique d'amplitude 21 est déterminée par les formules suivantes dl = ucX si ucX dl = 1 - ucX si ucX > à 0,5. Dans le cas où la valeur ucX est inférieure ou égale à 0,5, l'amplitude dl du relais numérique doit être telle que la commande uc sature juste à une valeur nulle lorsqu'elle est minimale de façon à obtenir une commande symétrique et maximale autour de la valeur moyenne uc. Dans le cas où cette valeur uc est supérieure à 0,5, l'amplitude dl du relais numérique doit être telle que la commande uc sature juste à la valeur 1 lorsqu'elle est maximale de manière à avoir comme précédemment une commande symétrique et maximale autour de la valeur moyenne uc. En effet, cette valeur de commande uc varie de O à 1, la valeur "0" correspondant à une pousse puissance électrique nulle et la valeur "1" à 100% de la puissance électrique. Lorsque l'on a détecté le nombre fixé d'oscillations de la troisième étape, on démarre la quatrième étape. Au cours de cette étape, le système comportant l'installation à réguler 1 et le régulateur P.I.D. 2 est bouclé sur lui-même et il est commandé par un relais numérique 31. L'amplitude d2 de ce relais numérique 31 est calculée de manière que la variation de la commande du régulateur 2 ne soit pas supérieure à uc si uc 2 ou 1 - uc si uc > à 0,5. 2 Lors de cette étape, le paramètre à réguler y subit des oscillations ; au bout d'un nombre prédéterminé d'oscillations, par exemple trois, on mesure la fréquence de ces oscillations et on en déduit la pulsation du système bouclé - installation 1 + régulateur 2 - pour un déphasage égal à - 1800. Une cinquième étape succède alors à la quatrième étape. Dans cette cinquième étape, le système bouclé de la figure 4, à savoir l'installation à réguler 1 et le régulateur 2, est commandée par un troisième relais numérique 41 qui est suivi d'un intégrateur 42, comme cela est schématisé sur la figure 5. L'amplitude d3 de ce relais numérique 41 est calculée de la même manière que dans l'étape précédente, à savoir qu'elle est calculée pour que la variation consécutive de la commande du régulateur 2 respecte les inégalités citées plus haut. Pour les mêmes raisons que précédemment, l'amplitude d2 du relais numérique 31 conduit au calcul approché suivant cas où uc d2 = uc 1 2K 1 + d k.0,63.K t p avec K : gain du P.I.D. (calculé dans la troisième étape) d : retard pur du système (calculé dans la troisième étape) constante de temps principale du système (calculée à partir des données rentrées par l'utilisateur) k : gain statistique du système à régler (calculé dans la deuxième étape ; k = uc Pour les mêmes raisons que précédemment, l'amplitude d3 du relais numérique 41 conduit au calcul approché suivant d3 = ECH 1 100 d/Te avec ECH : échelle de mesure ramenée entre 0 et 1 (calculée à partir des données rentrées par l'utilisateur) Te : période d'échantillonnage de base (ls). I1 y a lieu de noter que le calcul des amplitudes dl,d2,d3 peut être entaché d'une certaine erreur (Nl0%) sans remettre en cause la validité des résultats. Dans cette cinquième étape, le paramètre à réguler y subit encore des oscillations et après un nombre prédéterminé d'oscillations, par exemple trois, l'étape est terminée et on passe à la sixième étape. On mesure la fréquence des oscillations de la température y pendant cette cinquième étape et on en déduit la pulsation du système constitué par l'installation à réguler 1 et le régulateur 2 pour un déphasage de - 90". A la fin de cette cinquième étape, on calcule les constantes de temps, r1 et r2 du système bouclé comprenant l'installation à réguler 1 et le régulateur 2. Au cours de la sixième étape, l'installation à réguler 1, à savoir le four, est stabilisée à la température de consigne yc par le régulateur 2, comme illustré à la figure 6. Le gain K du régulateur proportionnel utilisé dans la deuxième étape est calculé de telle manière que l'on ait une erreur statique d'environ 5% par rapport à la consigne lorsque la température est stabilisée. Dans ces conditions K = 19 k En ce qui concerne les données qui sont rentrées par l'utilisateur lors de la première étape, il y lieu de noter qu'elles peuvent avoir des valeurs approximatives par exemple à 10 ou 20% près. Le système de régulation autoadaptatif est alors correctement initialisé et peut donc commander le fonctionnement de l'installation à réguler, le four 1. On se trouve alors dans la configuration illustrée par la figure 1. La figure 7 est un diagramme qui représente les variations du signal de commande uc et de la température y pendant les deuxième à sixième étapes précitées, repérées b) à f). On voit que la présente invention permet de réaliser, de manière automatique et sans l'aide de spécialiste de l'automatisation, l'initialisation d'un régulateur autoadaptatif après une étape manuelle d'entrée des données facilement accessibles. Le procédé selon l'invention est avantageusement réalisé à l'aide d'un logiciel commandant le système informatique de régulation de l'installation à réguler 1. Dans le cas où le régulateur autoadaptatif est un régulateur de tableau tel que décrit plus haut, le logiciel d'initialisation sera lancé à la première mise en service de l'installation par l'utilisateur afin de régler automatiquement tous les paramètres nécessaires à ce dernier pour piloter l'installation de manière optimale. Dans ce cas, le logiciel sera implanté en mémoire morte de façon définitive par le constructeur. Dans le cas de systèmes informatiques spécifiques, l'initialisation s'effectuera de la même manière. Mais le logiciel d'initialisation pourra être implanté en mémoire morte par le constructeur de l'installation à réguler ou par la société ayant installé le système informatique. L'invention s'applique plus particulièrement aux installations constituées par des fours électriques. La présente invention apporte un certain nombre d'avantages. Tout d'abord, le rôle de l'utilisateur se borne à rentrer des données physiques facilement accessibles. La procédure d'initialisation se déroule ensuite de manière entièrement automatique. Au terme de cette procédure, le régulateur autoadaptatif peut être mis en route sans autre intervention de l'utilisateur que de programmer la consigne. Comme on l'a vu plus haut, les données rentrées par l'utilisateur peuvent être approximatives. Par ailleurs le procédé selon l'invention cumule plusieurs fonctions ; tout d'abord il réalise l'autoréglage d'un régulateur P.I.D. ; en outre il réalise l'identification de la fonction de transfert du système bouclé comprenant l'installation à réguler et le régulateur. Ceci permet de calculer un régulateur de type RST de type autoadaptatif ou non. Le modèle identifié est de la forme H(p) = k e -dp (1 + tlp) (1 + t2p) avec p : opérateur de Laplace. Le procédé selon l'invention permet également de calculer les différents filtres nécessaires pour le régulateur autoadaptatif. Enfin, l'installation est bouclée en permanence et il n'y a donc pas de risque de dépassement important de la grandeur réglée. REVENDICATIONS 1. Procédé d'initialisation d'un régulateur autoadaptatif comportant un régulateur P.I.D. (2) et régulant le fonctionnement d'une installation industrielle (1) telle qu'un four électrique, en vue de calculer les paramètres principaux du régulateur autoadaptatif, caractérisé par les étapes suivantes - a) on enregistre les grandeurs facilement accessibles de l'installation à réguler, en particulier la valeur de consigne (yc) du paramètre à réguler (y) - b) on fait fonctionner l'installation (1) en utilisant un régulateur à action proportionnelle (11) jusqu'à obtenir une stabilisation du paramètre à réguler (y) et on mesure le bruit pendant une durée déterminée ;; - c) on commande l'installation (1) par un premier relais numérique (21) et, au début de cette étape on mesure le retard pur (d), puis, après quelques oscillations du paramètre à réguler (y), on calcule les paramètres du régulateur P.I.D. en utilisant les formules de Ziegler et Nichols en respectant une marge de phase de 60" ; - d) après les oscillations de l'étape précédente, on fait fonctionner le régulateur P.I.D. (2) en boucle fermée et on le commande par un deuxième relais numérique (31) et, après quelques oscillations du paramètre à réguler (y), on mesure la fréquence de ces oscillations et on en déduit la pulsation du système bouclé (1,2) pour un déphasage égal à - 1800;; - e) le système bouclé (1,2) est commandé par un troisième relais numérique (41) suivi d'un intégrateur (42), puis, après quelques oscillations du paramètre à réguler (y), on mesure la fréquence de ces oscillations et on en déduit la pulsation du système bouclé (1,2) pour un déphasage égal à - 90" et on calcule les constantes de temps (t1) et (t2) du système bouclé - f) le système bouclé est stabilisé à la valeur de consigne (yc) du paramètre à réguler (y). 2. Procédé d'initialisation d'un régulateur autoadaptatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure du bruit est réalisée pendant une période de temps supérieure ou égale à 30 secondes. 3. Procédé d'initialisation d'un régulateur autoadaptatif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la mesure du bruit est réalisée pendant une minute. 4. Procédé d'initialisation d'un régulateur autoadaptatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d'oscillations des phases c), d) et e) est au moins égal à 3. 5. Procédé d'initialisation d'un régulateur autoadaptatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplitude (dl) du relais numérique (21) utilisé au cours de l'étape c) est égale à uc si uc 1 - uc si uc > à 0,5 ucX étant la valeur du signal de commande (uc) obtenue lors de la stabilisation de l'étape b). 6. Procédé d'initialisation d'un régulateur autoadaptatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplitude (d2,d3) des relais numériques (31,41) utilisés au cours des étapes d) et e) est calculée de telle manière que la variation résultante du signal de commande (uc) du régulateur P.I.D. (2) n'est pas supérieure à uc si uc 2 1 - uc si ucX > à 0,5, 2 uc étant la valeur du signal de commande (uc) obtenue lors de la stabilisation de l'étape b).