Régulation Majeur-Mineure

Introduction:

Cette section présente les informations essentielles relatives au système de régulation majeure–mineure. Ce type de système relève du domaine de l’automatisation et du contrôle de procédés industriels. L’objectif du laboratoire est de mettre en œuvre une régulation de procédé en établissant une relation fonctionnelle entre le niveau du réservoir, la vitesse de la pompe et l’ouverture de la vanne. Le système doit également être en mesure de maintenir une régulation stable et efficace à la suite d’une perturbation externe. La réalisation de ce laboratoire nécessite certaines connaissances préalables, notamment la maîtrise du cours Boucle de régulation (243-3B6-SO) ainsi que du cours Mesure industrielle (243-4G5-SO), faisant partie du programme de génie électrique – automatisation et contrôle.

Pourquoi ce système existe?:

Ce système de régulation a pour but d’optimiser le contrôle de procédés industriels. Les principaux objectifs visés sont la stabilité du niveau, la précision de la régulation et la rapidité de la réponse du système. L’intérêt d’une régulation en cascade réside dans l’utilisation de deux régulateurs PID distincts : un régulateur majeur et un régulateur mineur. Cette configuration permet à deux variables d’intervenir simultanément dans la régulation du procédé. Dans le présent cas, l’ouverture de la vanne correspond à la régulation mineure, tandis que la vitesse du moteur (pompe) constitue la régulation majeure. Les avantages de ce type de système incluent une meilleure capacité d’adaptation aux perturbations (par exemple une vanne partiellement obstruée), une réduction des effets des perturbations, une amélioration de la dynamique du système ainsi qu’une meilleure stabilité globale. Toutefois, dans le cadre de ce laboratoire, le programme a été légèrement modifié en utilisant deux PID distincts sans définir explicitement la boucle majeure et la boucle mineure dans le logiciel.

La boucle de régulation:

Le programme comporte deux boucles de régulation PID qui fonctionnent conjointement comme une seule boucle de type cascade. La première boucle est le PID de niveau. Le point de consigne (SP) correspond au niveau souhaité dans le réservoir, exprimé en pourcentage. La variable de procédé (PV) est le niveau réel, également en pourcentage. La sortie du régulateur (CO) commande l’ouverture de la vanne afin de permettre l’écoulement du fluide dans le réservoir. Cette boucle est considérée comme la boucle mineure. La seconde boucle est le PID de la vanne. Le point de consigne (SP) représente l’ouverture souhaitée de la vanne, maintenue autour de 50 %. La variable de procédé (PV) est la vitesse du moteur, contrôlée par le variateur de vitesse (drive). La sortie du régulateur (CO) correspond au niveau en pourcentage. Afin de permettre une communication entre les deux boucles, le CO du PID de niveau a été utilisé comme PV du PID de la vanne. Cette configuration permet à la vitesse de la pompe d’influencer l’ouverture de la vanne, créant ainsi un comportement similaire à une régulation en cascade. En résumé, le programme fonctionne selon la séquence suivante : le niveau en pourcentage génère une consigne envoyée au variateur de vitesse pour ajuster la vitesse de la pompe. La variation de vitesse influence ensuite l’ouverture de la vanne, laquelle modifie à son tour le niveau du réservoir. Ce cycle se répète continuellement. Niveau_pct → vitesse_pompe → ouverture_vanne → Niveau_pct

Boucle majeure et boucle mineure:

Les boucles majeure et mineure ont un objectif commun, soit la régulation du procédé, et reposent sur des principes de fonctionnement similaires. La différence réside principalement dans leur impact sur la régulation. La boucle mineure est utilisée pour effectuer de petits ajustements précis. Elle intervient lorsque la précision est prioritaire, bien que ses actions soient généralement plus lentes. À l’inverse, la boucle majeure a un impact plus important sur le procédé. Elle est utilisée pour répondre rapidement à de grands changements de consigne, au détriment d’une précision moindre.

Dans la configuration de ce laboratoire, il est essentiel que les deux régulateurs PID utilisent des Control Action opposées afin d’assurer une régulation efficace. Le PID de la vanne est configuré avec une action de contrôle PV–SP, tandis que le PID de niveau est configuré avec une action SP–PV. Cette opposition est nécessaire puisque, bien que les deux PID travaillent conjointement dans une structure semblable à une régulation en cascade, ils n’agissent pas sur la même variable et n’ont pas le même effet sur le procédé. Le PID de la vanne doit réagir directement aux variations de la variable de procédé, alors que le PID de niveau doit corriger l’écart entre la consigne et le niveau réel du réservoir de manière inverse. Si les deux régulateurs étaient configurés avec la même Control Action, leurs actions s’additionneraient au lieu de se compenser, ce qui empêcherait la stabilisation du procédé. Le système entrerait alors dans un comportement instable, pouvant mener à un fonctionnement en mode tout ou rien, où la pompe fonctionnerait en permanence ou s’arrêterait complètement. Ainsi, l’utilisation de Control Action opposées permet aux deux boucles de travailler de façon complémentaire et assure une régulation stable et fonctionnelle du procédé.

Schéma explicatif: