Dans cet article de blog, nous explorerons comment la technologie de contrôle est appliquée dans les milieux industriels et dans la vie quotidienne pour impulser le changement.

L'importance et les applications de la technologie de contrôle

La technologie de contrôle désigne le processus de régulation des grandeurs physiques telles que la température, la pression, le débit et la vitesse de rotation afin de garantir le bon fonctionnement des machines et des équipements. Différentes méthodes de contrôle permettent d'ajuster la sortie pour faire correspondre la valeur mesurée de la grandeur physique contrôlée à la valeur cible souhaitée. La technologie de contrôle joue un rôle essentiel dans de nombreux secteurs de l'industrie moderne et son importance ne cesse de croître.

Méthodes de contrôle de base : Méthode de l’interrupteur marche/arrêt

La méthode la plus simple est celle de l'interrupteur marche/arrêt, couramment utilisée dans les dispositifs de régulation de température des chaudières pour contrôler la température de l'eau. Dans ce dispositif, si la température actuelle est inférieure à la température souhaitée, l'interrupteur s'active pour alimenter le chauffage ; si elle est supérieure, il se désactive. Lorsque l'interrupteur est activé, la puissance de régulation est appliquée à 100 %, et lorsqu'il est désactivé, elle est nulle. Au démarrage, le chauffage reste alimenté pour augmenter la température de l'eau, mais à un certain point, une surchauffe se produit, la température de l'eau dépassant la consigne. Cette surchauffe pouvant endommager le système, l'interrupteur est actionné à plusieurs reprises pour ramener la température actuelle à la consigne. La température de l'eau, comme la pression ou le débit, étant une grandeur physique qui varie continuellement (analogique), elle ne chute pas instantanément lorsque l'interrupteur est désactivé après une hausse de température. Par conséquent, ces actions répétées provoquent des fluctuations de la température de l'eau autour de la consigne.

Le problème de la chasse et la régulation PID

La méthode de l'interrupteur marche/arrêt entraîne des dépassements et des oscillations, rendant difficile le contrôle précis de la grandeur physique de l'objet. Pour pallier ces inconvénients, on utilise la régulation PID. Celle-ci emploie les fonctions P (proportionnelle), I (intégrale) et D (dérivée) pour réguler précisément la grandeur physique de l'objet. Cependant, selon l'objectif, on peut également utiliser les régulations P, PI ou PD.

Caractéristiques du contrôle P

La régulation P définit une bande proportionnelle fixe de part et d'autre de la consigne et, à l'intérieur de cette bande, génère un signal de commande proportionnel à l'écart entre la consigne et la valeur mesurée. Par exemple, dans un système de régulation de température de chaudière utilisant la régulation P, si la température actuelle est inférieure à la limite inférieure de la bande proportionnelle, un signal de commande de 100 % est généré jusqu'à ce que la température actuelle atteigne cette limite, maintenant ainsi l'interrupteur à l'état passant. Cependant, dès que la température actuelle dépasse la limite inférieure de la bande proportionnelle, un cycle proportionnel commence, durant lequel l'interrupteur alterne entre les états passant et bloqué. Plus précisément, tant que la température actuelle – qui a dépassé la limite inférieure de la bande proportionnelle – n'atteint pas la consigne, un cycle où la durée de passage à l'état passant est supérieure à la durée de passage à l'état bloqué se répète périodiquement. Lorsque la température actuelle atteint la consigne, un signal de commande de 50 % est généré et un cycle où les durées de passage à l'état passant et bloqué sont égales (1:1) se répète. Si la température actuelle dépasse la consigne, le cycle de fonctionnement (durée d'arrêt supérieure à durée de marche) se répète périodiquement. Si la température actuelle dépasse la limite supérieure de la plage proportionnelle, le système reste à l'arrêt. Ainsi, la régulation proportionnelle permet d'approcher au plus près la valeur mesurée de la consigne, réduisant considérablement les oscillations par rapport à une simple régulation par interrupteur.
Cependant, même lorsque la valeur mesurée se stabilise, une erreur résiduelle subsiste inévitablement par rapport à la consigne, soit au-dessus, soit en dessous de celle-ci ; c’est ce qu’on appelle l’« erreur résiduelle ». Dans un système de régulation de température de chaudière utilisant la régulation proportionnelle (P), un élargissement de la bande proportionnelle abaisse la température de déclenchement du cycle de chauffage. Par conséquent, le temps nécessaire pour que la température actuelle atteigne la consigne augmente, et l’erreur résiduelle s’accroît ; toutefois, le phénomène d’oscillation est quasi inexistant. À l’inverse, plus la bande proportionnelle est étroite, plus le temps nécessaire pour que la température actuelle atteigne la consigne est court, et plus l’écart résiduel est faible ; cependant, le risque d’oscillation est plus élevé.

Application de la régulation PI

L'utilisation conjointe d'une régulation intégrale (I) et d'une régulation progressive (P) permet d'éliminer l'écart résiduel et de rapprocher au plus près la valeur mesurée de la consigne. L'action intégrale de la régulation PI génère un signal de commande proportionnel à l'intégrale de l'écart entre la valeur mesurée et la consigne. L'intensité de cette action est ajustée par le temps d'intégration, qui représente sa force. Un temps d'intégration plus court renforce la correction des variations d'état de l'objet contrôlé, permettant une élimination rapide de l'écart résiduel, mais pouvant engendrer des oscillations. À l'inverse, un temps d'intégration plus long atténue la correction, évitant les oscillations, mais allonge le temps nécessaire à l'élimination de l'erreur résiduelle.

Achèvement de la méthode de contrôle PID

Cependant, avec une régulation P ou PI seule, le retour de la valeur mesurée à la consigne peut être long en cas de chocs ou de vibrations externes provoquant une variation rapide de l'état de l'objet contrôlé. Dans ce cas, la régulation D permet un retour rapide à la consigne. Lors de chocs ou de vibrations externes, l'écart entre la valeur mesurée et la consigne augmente ; l'action dérivée des régulations PD ou PID génère un signal de commande proportionnel à la vitesse de variation de cet écart. L'amplitude de l'action dérivée est ajustée par le temps de dérivation. Si ce temps est réduit, l'action corrective visant à ajuster l'état de l'objet contrôlé est atténuée, ce qui allonge le temps nécessaire à la valeur mesurée pour atteindre la consigne, mais évite tout dépassement. Inversement, si le temps de dérivation est allongé, l'action corrective est renforcée, ce qui réduit le temps nécessaire à la valeur mesurée pour atteindre la consigne, mais augmente le risque de dépassement.

Applications et avenir des technologies de contrôle

Les technologies de contrôle sont largement utilisées dans de nombreux domaines, allant des dispositifs mécaniques simples aux systèmes industriels complexes. Elles sont par exemple employées dans les systèmes de pilotage automatique des aéronefs, les systèmes de contrôle de stabilité automobile et le contrôle des procédés dans les usines chimiques. L'importance de ces technologies s'accroît notamment avec le développement de l'automatisation industrielle et des usines intelligentes. De plus, leur combinaison avec l'intelligence artificielle (IA) ouvre de nouvelles perspectives dans des domaines tels que les véhicules autonomes, les drones et la robotique.
Les progrès en matière de technologies de contrôle amélioreront non seulement notre confort et notre sécurité, mais aussi considérablement l'efficacité et la productivité industrielles. Ces technologies continueront d'évoluer, impulsant des changements novateurs dans divers domaines. Grâce à ces évolutions, nous accéderons à un avenir plus prospère et plus avancé.