Réalisation industrielle d'un régulateur PID ultra-précis à 0,1 % et analyse de ses paramètres clés

Réalisation industrielle d'un régulateur PID ultra-précis à 0,1 % et analyse de ses paramètres clés

1. Qu'est-ce qu'un régulateur de pression proportionnel ?
Dans le secteur industriel, un contrôle ultra-précis des paramètres de processus tels que la température, la pression de vide et le débit est souvent requis. La précision de ce contrôle est classée en deux catégories : haute précision (1 %) et ultra-haute précision (0,1 %). Dans les laboratoires de pointe et pour les étalonnages métrologiques, une précision supérieure à 0,05 % est fréquemment exigée.

Pour un système de contrôle PID complet, la boucle de contrôle typique est une boucle fermée, comme illustré sur la figure 1.

Comme illustré sur la figure 1, dans un système de contrôle PID en boucle fermée, les capteurs et actionneurs sont généralement externes et peuvent être sélectionnés en fonction des différents paramètres de contrôle et des exigences de précision. Dans les applications industrielles, le contrôleur PID doit généralement être un instrument de contrôle autonome ; autrement dit, un contrôleur PID industriel intègre généralement un convertisseur analogique-numérique (CAN), un microcontrôleur (MCU) et un convertisseur numérique-analogique, comme indiqué sur la figure 1.

Dans certaines applications de mesure et de contrôle de haute précision, comme le domaine de la métrologie et de l'étalonnage, afin d'améliorer la précision du régulateur PID, on utilise généralement un système de contrôle PID à structure discrète. Dans ce cas, le convertisseur analogique-numérique (CAN) et le microcontrôleur du régulateur PID illustré à la figure 1 sont remplacés par des instruments spécifiques de plus haute précision. Par exemple, le CAN est remplacé par un voltmètre numérique 6,5 (voire 7,5) digits, et le microcontrôleur par un ordinateur ou un microcontrôleur. Le convertisseur numérique-analogique est quant à lui remplacé par un multimètre numérique 6,5 digits. Bien que ce système de contrôle PID permette d'améliorer efficacement la précision, son coût et son encombrement augmentent considérablement, le rendant inadapté aux applications industrielles.

Cet article se concentre principalement sur l'instrument de contrôle PID intégré utilisé dans les applications industrielles et présente plusieurs indicateurs techniques clés impliqués dans la réalisation d'un contrôle ultra-précis de 0,1 % du point de vue des applications d'ingénierie, ce qui aidera le processus de contrôle de processus ultra-précis dans les applications industrielles de mise en œuvre et de sélection des contrôleurs PID.

2. Analyse des indicateurs techniques clés d'un régulateur PID ultra-précis
Pour atteindre une précision de contrôle ultra-élevée du contrôleur PID supérieure à 0,1 %, ces trois composants doivent répondre aux indicateurs techniques et aux exigences fonctionnelles correspondants afin d'assurer respectivement des fonctions de mesure, de calcul et de contrôle de haute précision.

(1) Précision de mesure
La précision de mesure d'un régulateur PID dépend principalement de la précision d'acquisition du signal d'entrée d'un capteur externe, c'est-à-dire de la précision de conversion du convertisseur analogique-numérique (CAN). Les CAN sont disponibles en versions 8, 12, 16 et 24 bits. Par conséquent, la précision du CAN est un indicateur technique clé de la précision de mesure d'un régulateur PID.

Prenons comme exemple une tension continue avec une plage d'entrée de signal PID de 0 à 10 V. La figure 2 présente la tension minimale mesurable correspondant aux différents bits du CAN.

D'après la capacité de tension minimale mesurable des différents bits du CAN (voir figure 2), le nombre de bits requis pour atteindre une précision de mesure de 0,1 % pour différentes valeurs de tension du signal du capteur peut être calculé (voir figure 3). Le choix du nombre de bits du CAN dépend des exigences de précision de la commande et répond parfaitement aux exigences techniques. En effet, plus le nombre de bits du CAN est élevé, plus la précision est grande. Cependant, plus le contrôleur PID est coûteux, plus sa vitesse d'acquisition est lente.

(2) Précision du contrôle
La précision de la régulation d'un contrôleur PID se réfère principalement à la précision de la sortie analogique du contrôleur vers l'actionneur externe. Plus le nombre de chiffres est élevé, plus la précision d'acquisition est grande.

(3) Précision arithmétique en virgule flottante
La précision des tests et la précision de la régulation dépendent de la précision matérielle du régulateur PID. Pour garantir pleinement la précision globale de la régulation PID, il faut également prendre en compte la précision des calculs logiciels du microprocesseur (MCU) utilisé par le régulateur, c'est-à-dire la précision des opérations en virgule flottante. Prenons l'exemple du pourcentage de sortie d'un régulateur PID : comme illustré sur la figure 2, le pourcentage de sortie minimal pour les opérations en virgule flottante 8 bits est de 1 %, et de 0,1 % pour les opérations 10 et 12 bits. Pour atteindre une précision de régulation totale inférieure à 0,1 %, il est nécessaire d'utiliser des opérations en virgule flottante 14 et 16 bits afin d'obtenir un pourcentage de sortie minimal de 0,01 %. Autrement dit, plus le nombre de bits utilisés pour les opérations en virgule flottante est élevé, plus le pourcentage de sortie est faible. Plus la sortie de régulation est fine, plus la précision de la régulation correspondante est grande.

3. Analyse des cas de contrôle de la pression
Nous utilisons un système de régulation de pression pour illustrer l'influence de la précision de régulation du régulateur de pression proportionnel Kao Lu sur l'efficacité du contrôle. Dans cette expérience, l'objectif est de contrôler précisément la pression dans la plage de 0 à 6 bar (pression relative) afin d'atteindre une précision de 0,1 %. La structure du dispositif expérimental complet est présentée sur la figure 4.


4. Conclusion
D’après l’analyse ci-dessus et la vérification expérimentale du cas de contrôle de pression, l’instrument de contrôle PID intégré industriel doit répondre aux indicateurs techniques suivants afin d’atteindre une précision de contrôle de 0,1 % :
(1) Le capteur externe doit avoir une ultra-haute précision supérieure à 0,1 %.
(2) L'actionneur externe doit également avoir une haute précision, mais il ne nécessite pas nécessairement une ultra-haute précision de 0,1 %.
(3) Le nombre de bits du convertisseur analogique-numérique du régulateur PID doit être d'au moins 16 bits, et idéalement de 24 bits. (4) Le fonctionnement en virgule flottante du régulateur PID doit garantir une précision de réglage du pourcentage de sortie de 0,01 % à 0,05 %.
(5) Le nombre de bits DAC du contrôleur PID doit atteindre au moins 14 bits, et le mieux est 16 bits.


Vous souhaitez en savoir plus sur le régulateur de pression proportionnel Kao Lu ? Alors visitez notre site web !