FR2524169A1

FR2524169A1 - Procede et systeme de conduite de processus

Info

Publication number: FR2524169A1
Application number: FR8304921A
Authority: FR
Inventors: Kazuo Hiroi; Kojiro Ito
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-03-26
Filing date: 1983-03-25
Publication date: 1983-09-30
Also published as: US4563735A; DE3311048A1; FR2524169B1; DE3311048C2

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE ET UN SYSTEME DE CONDUITE DE PROCESSUS. SELON CE PROCEDE INCLUANT UNE COMMANDE PAR REACTION SELON LAQUELLE L'ECART ENTRE UNE GRANDEUR REGLEE PV ET UNE VALEUR PRESCRITE B EST ENVOYE A UNE UNITE DE COMMANDE 32 ET UNE GRANDEUR MANIPULEE M EST DETERMINEE EN FONCTION DU SIGNAL DE SORTIE DE CETTE UNITE, ET UNE COMMANDE PREDICTIVE SELON LAQUELLE UNE COMPENSATION D'UNE PERTURBATION D EST EFFECTUEE, ON DETERMINE DES COMPOSANTES DE COMPENSATION STATIQUE B ET DYNAMIQUE E CONVERTIES ET AJOUTEES A UN SIGNAL DE SORTIE DE L'UNITE 32 POUR DETERMINER LA GRANDEUR MANIPULEE M. APPLICATION NOTAMMENT A LA CONDUITE DE PROCESSUS INDUSTRIELS.

Description

La présente invention concerne un procédé et un système de conduite de

processus incluant en combinaison une commande par réaction et une commande à action directe ou commande prédictive, particulièrement utile pour la mise en oeuvre d'une commande numérique directe. Dans un système de commande ou de conduite de processus, un système de commande par réaction joue un rôle

important, mais le système à réaction agit de manière à ré-

pondre à la variation de la variable ou grandeur réglée et exécute une correction requise uniquement une fois que la grandeur réglée s'écarte d'une valeur de consigne ou valeur prescrite C'est pourquoi il ne se pose aucun problème dans

la mesure o la valeur réglée varie lentement, mais le sys-

tème de commande par réaction présente l'inconvénient grave selon lequel sa réponse transitoire est retardée lorsqu'il se produit une variation subite de la perturbation par le fait que la correction par réaction est effectuée seulement

après que la grandeur réglée s'est écartée d'une valeur pres-

crite Une solution à ce problème consiste à utiliser, en combinaison avec le système de commande par réaction, un

système de commande à action directe ou commande prédicti-

ve, selon laquelle les perturbations sont détectées et une correction ou une compensation basée sur une prévision est

effectuée avant que la grandeur soit réellement perturbée.

La figure 1, annexée à la présente demande, re-

présente un système de commande fondamental comprenant en combinaison un système à réaction et un système à commande prédictive Un comparateur 1 compare une grandeur réglée à une valeur prescrite et le résultat de cette comparaison, c'est-à-dire la différence entre la valeur prescrite et la

grandeur réglée,est envoyée à une unité de commande 2 à tri-

ple action proportionnelle, par intégration et différentia-

tion (PID) Le signal de sortie de l'unité de commande PID 2 est envoyé à un additionneur ou noeud de sommation 3 Entre

temps une perturbation D, qui est transmise par l'intermé-

diaire d'une voie imaginaire 7, avec une fonction de transfert GDI perturbe la grandeir réglée X Afin de compenser ou d'agir à l'encontre des effets nuisibles de la perturbation D sur la

grandeurréglée X, la perturbation D est transmise par l'inter-

médiaire d'un système modèle à action directe 8 avec une fonction de transfert G F à l'additionneur 3, en vue d'être ajoutée au signal de sortie provenant de l'unité de commande 2 Le signal de sortie résultant provenant de l'additionneur

3 est envoyé sous la forme d'une grandeur manipulée à un sys-

tème de conduite de processus 10 et l'effet de la grandeur

manipulée est transmis par l'intermédiaire d'une voie imagi-

naire 4 avec une fonction de transfert Gp L'effet de la per-

turbation passant par la voie 7 et l'effet de la grandeur ma-

nipulée M sont additionnés effectivement de manière à fournir la grandeur réglée X A titre d'illustration, cette sommation est représentée comme étant effectuée par un additionneur ou

un noeud de sommation 5.

C'est pourquoi, si le signal de sortie de l'uni-

té de commande 2 est désigné par Y, la grandeur réglée X est donnée par X = (Y + D GF) Gp + D GD P + (GD + DF Gp) ( 1) A partir de l'équation ( 1) on peut voir aisément que, pour que la grandeur réglée X puisse être dégagée de tout effet nuisible produit par la perturbation, il faut que l'équation suivante soit satisfaite: GD + GF Gp = O

Il s'ensuit que la fonction de transfert G F du système modè-

le à action directe 8 doit être GF = -GD/p ( 2) DP En général on peut obtenir une valeur approchée des fonctions

de transfert GD et Gp sous la forme d'une combinaison d'un re-

tard du premier ordre et d'un temps mort comme suit: Kp G = e±Lp S S P =i+Tp S et

G KD -LD S

D 1 + TD S

dans lesquelles Kp et KD sont des constantes de gain, Tp et TD sont des constantes de temps et Lp et LD sont des temps

morts respectivement.

Il s'ensuit que la fonction de transfert GF du système modèle à action directe 8 est fournie par la relation: G = D D P Xe (LD Lp) S _ ( 3) F Gp Kp 1 + T xe D S

Si le temps mort de Gp et le temps mort de GD sont essentiel-

lement identiques, l'équation ( 3) peut être réécrite sous la forme K l+T S

D P 4

KD 1 + T S

G = Kp TD S - ( 4)

L'équation ( 4) ainsi simplifiée est souvent uti-

lisée dans des applications pratiques Cependant il arrive quelquefois que la caractéristique du processus particulier,

auquel la commande prédictive ou à action directe est appli-

quée,n'est pas reproduite correctement de façon approchée

par l'équation du premier ordre ( 4), ou bien la caractéris-

tique du processus n'est pas linéaire En outre, le système de conduite de processus présente différenteslimites et est

soumis à différentes conditions Il en résulte que le sys-

tème à commande prédictive de l'art antérieur s'est trouvé confronté au Kproblèmes suivants:

( 1) Il n'est pas possible de régler ou d'ajus-

ter indépendamment les uns des autres, les gains des compo-

santes de compensation statique et dynamique pour la compen-

sation de la perturbation, alors qu'un tel réglage indépen-

dant est souhaitable pour réaliser l'adaptation du système aux caractéristiques du processus On notera, à ce sujet, que le réglage du gain peut impliquer le réglage de diffé-

rents gains pour différentes directions de variations (ac-

croissement et diminution), c'est-à-dire pour différentes polarités ou signes de la valeur de compensation; ( 2) Il n'est pas possible de fournir une bande ou

une zone morte uniquement pour la seule composante de com-

pensation statique ou pour la seule composante de compensa-

tion dynamique Le fait de prévoir une zone morte rend nul-

le la commande par action directe ou commande prédictive,

alors que la variation de la perturbation est faible.

Il n'est pas possible de régler les zones mortes

des deux composantes indépendamment l'une de l'autre.

( 3) Il n'est pas possible de fournir des limites

supérieure et inférieure pour la seule composante de compen-

sation statique ou pour la seule composante de compensation

dynamique Il n'est pas possible de régler les valeurs limi-

tes des deux composantes indépendamment l'une de l'autre; ( 4) Il est difficile d'obtenir une commutation "sans à-coups" lorsque l'unité de commande 2 est commutée entre la commande automatique et la commande manuelle (en particulier lorsque l'on utilise une unité de commande du type à commande de vitesse); et

( 5) Il est difficile d'analyser et de compren-

dre l'importance qualitative de la commande prédictive ou à action directe, de sorte que le réglage de l'unité de

commande est difficile.

En outre, lorsque l'on utilise une unité de com-

mande à triple action PID du type à commande de vitesse, le système à action directe de l'art antérieur présente les

inconvénients suivants.

Comme représenté sur la figure 2 annexée à la présente demande, lorsque l'unité de commande PID 2 est du

type à commande de vitesse, le signal de sortie du systène pré-

dictif 8 est converti par un convertisseur de signaux de po-

sition en signaux de vitesse ou par un détecteur de différen-

ce 9 avant d'être envoyée à l'additionneur 3 Le signal de

sortie de l'additionneur 3 est ensuite converti par un con-

vertisseur 6 de signaux de vitesse en signaux de position et est ensuite utilisé en tant que grandeur manipulée M du processus.

Lors d'une variation d'un pas relativement im-

portant de la perturbation, la grandeir manipulée M variera comme représenté sur la figure 3 A, tandis que la variation qui est souhaitable est celle représentée-sur la figure 3 B. Ceci est dû au fait que le convertisseur 6 ne suit pas l'accroissement au-delà de son maximum ( 100 %), alors que son signal de sortie commence à chuter dès que le signal d'entrée devient négatif, et par conséquent la valeur DR de la chute totale à partir du niveau 100 % sur la figure 3 A est égale à la valeur DR de la chute totale à partir du

maximum souhaitable sur la figure 3 B On donne au convertis-

seur 6 de telles caractéristiques dans le but d'éliminer ou d'agir à l'encontre d'effets de jeu de retour à zéro, de

l'unité de commande 2 C'est pourquoi la réponse réelle (fi-

gure 3 A annexée à la présente demande) qui diffère de la ré-

ponse souhaitable (figure 3 B annexée à la présente demande),

entraîne des effets nuisibles sur la conduite du processus.

Un cas similaire, mais dans le sens opposé,appa-

rait lorsque le sens de variation est inverse et que le si-

gnal de sortie souhaitable du convertisseur 6 dépasse la li-

mite inférieure de O X.

En outre, le système prédictif ou à action direc-

te de l'art antérieur présente les inconvénients suivants.

En effet, dans l'analyse indiquée ci-dessus du système de commande prédictive ou à action directe, on a supposé que le coefficient de gain KD de la fonction de transfert GD de la perturbation D était constant et que par conséquent le coefficient de gain KF = KD/Kp du système modèle à action directe 8 était constant Mais en réalité, le coefficient

KD de la perturbation n'est pas fixe et varie de façon ir-

régulière et étendue en fonction de facteurs tels que des

perturbations indirectes, des variations des caractéristi-

ques en fonction du temps, des variations de grandeurs phy-

siquesà l'intérieur et à l'extérieur du système de condui-

te de processus, des variations de compostionschimiques,

des variations de la température ambiante, des perturba-

tions qui ne sont pas détectées ou ne peuvent pas être dé-

tectées, etc Il en résulte que le système de commande pré-

dictive ou à action directe ne peut pas avoir les effets

désirés et peut au contraire perturber la conduite du pro-

cessus.

Entre-temps-, en raison de la diversité des ma-

tières premières, des combustibleset des produits, de varia-

tions de la charge dues à des modifications de la cadence de fonctionnement apportées compte-tenu de modifications

des conditions économiques, et en raison d'une demande ac-

crue de systèmes à utilisations multiples et autres, on a as-

sisté à une demande accrue concernant la souplesse du pro-

cessus et par conséquent du système de commande On va ex-

pliquer cette situation de façon plus détaillée en considé-

rant par exemple la commande de réglage de la température à la sortie d'un système d'échangeur de chaleur en référence

à la figure 4, annexée à la présente demande.

Sur la figure 4, une matière première il est amenée, par l'intermédiaire d'une conduite d'alimentation 12 à un échangeur de chaleur 14, chauffé à la vapeur, et est évacuée de ce dernier Un capteur de température 15 détecte la température de sortie T O de l'échangeur de chaleur 14 et délivre un signal représentatif de la température de sortie

détectée T O Ce signal est appliqué à un régulateur de tem-

pérature 19 qui commande le système de l'échangeur de chaleur

de manière à maintenir la température de sortie T à une va-

leur prédéterminée.

Un débitmètre 13 détecte le débit Fi de la matiè-

re première 11 et délivre un signal représentatif du débit détecté Fi Cesignal est envoyé à un système à action di- recte 21 Le signal de sortie du système à action directe 21 et le signal de sortie du régulateur de température 19

sont additionnés dans un additionneur 20 qui transmet le si-

gnal somme, enitant que grandeur prescrite, à une unité 22 de commande du débit de vapeur L'unité 22 de commande du débit de vapeur reçoit le signal de sortie du débitmètre 17 pour la vapeur, en tant que signal de réaction, et effectue les opérations de commande pour maintenir le signal de réaction au niveau de la valeur prescrite Le signal de sortie de l'unité 22 de commande du débit de vapeur est utilisé pour

commander une valve de commande 18 De cette manière la tem-

pérature de sortie T O de l'échangeur de chaleur 14 est main-

tenue constante.

On va maintenant discuter de la fonction de trans-

fert GF du système modèle à action directe 21 Tout d'abord, le bilan calorifique Q à l'état permanent du processus est fourni par l'équation suivante: Q = Fs Hs = N Fi Ci (Ts Ti) ( 5) dans laquelle Fs est le débit en poids de vapeur, Hs est la chaleur latente de la vapeur, Fi est le débit de la matière

première, Ci est la chaleur spécifique de la matière premiè-

re, Ts est la valeur de consigne ou valeur prescrite pour la températureprésente à la sortie de l'échangeur de chaleur, Ti est la température à l'entrée de l'échangeur de chaleur,

et N est le rendement de l'échangeur de chaleur.

On va réécrire l'équation ( 5) de manière à ob-

tenir le débit de vapeur Fs, qui est la grandeur réglée.

On a alors: Fs Ci (Ts Ti) Fi ( 6) Fs -n 'Hs'( 6

D'après l'équation ( 6), la composante de compensation stati-

que GFS du système modèle 21 à action directe est obtenue comme suit: Fs 1 c Ci F GFS = Fi -n (Ts Ti) = K ( 7)

La fonction de transfert GF avec la composant de compensa-

tion dynamique du système à action directe 21 est: G F C (Ts Ti) + ( 8)

F =n Hs \ 1 + TD -

dans laquelle TD est la constante de temps s'écoulant entre le débitmètre 13 pour la matière première et le capteur de température 15 de sortie, et T est la constante de temps P s'écoulant entre l'instant o le débit de vapeur est réglé (c'est-à-dire lorsque le signal de sortie est délivré par l'additionneur 20) et l'instant auquel la température à la

sortie de l'échangeur de chaleur 14 est affectée par ce ré-

glage du débit.

Jusqu'à présent, seule la variation du débit

Fi de la matière première est considérée comme une pertur-

bation affectant le système de commande prédictive ou à ac-

tion directe et l'on a supposé que K= 1 i (Ts Ti) KF N 'Hs est constant, mais en réalité KF varie de façon irrégulière sur une gamme étendue en fonction des facteurs suivants: ( 1) Variations de la température de la matière première; ( 2) Variations du rendement de l'échangeur de chaleur; ( 3) Variations de la chaleur latente de la vapeur; ( 4) Variations de la température ambiante, et ( 5) Variations de la chaleur spécifique de la

matière première.

Il en résulte que le système de commande pré-

dictive ou à action directe ne peut pas fournir de résul- tats satisfaisants Plus particulièrement, la capacité de commande est perturbée de façon nuisible lorsque le débit

de la matière première varie Ceci entraine une modifica-

tion de la qualité du produit.

Comme cela a été décrit ci-dessus, dans le système combiné de l'art antérieur à commande par réaction et à commande prédictive ou par action directe, on ne peut

pas obtenir des effets satisfaisants et quelquefois il ap-

parait des effets nuisibles C'est pourquoi ce problème de-

vient de plus en plus grave au fur et à mesure de l'accrois-

sement de la demande concernant une souplesse d'adaptation

pour le processus-

Un but de la présente invention est de fournir

un procédé et un système de commande ou de conduite de pro-

cessus, qui permettent de supprimer essentiellement les dé-

fauts indiqués ci-dessus ainsi que d'autres défauts que l'on

rencontre dans les procédés et systèmes de l'art antérieur.

Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé et un système de conduite de processus,

dont les caratéristiques qualitatives peuvent être aisé-

ment analysées et comprises de sorte que le réglage de la

commande pour atteindre un optimum soit commode.

qui permettent d'obtenir des résultats optimum en confor-

mité avec des caractéristiques de grandeurs ou valeurs ré-

glées. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé et un système de conduite de processus, qui permettent de réaliser des compensations optimales

pour n'importe quelle perturbation.

Conformément à un aspect de l'invention, il est

prévu un procédé de conduite de processus, incluant en com-

binaison une commande par réaction, selonlaquelle un écart d'une grandeur réglée par rapport à une valeur prescrite est envoyée à une unité de commande du type à commande de vitesse et une grandeur manipulée est déterminée en fonction du

signal de sortie de l'unité de commande, une conman-

de prédictive ou à action directe selon laquelle une pertur-

'ation est détectée et une compensation de la perturbation est déterminée et est introduite lors de la détermination de la grandeur manipulée de manière à contrecarrer l'action

de la perturbation, ledit procédé comprenant les phases opé-

ratoires suivantes:

(a) détermination, en fonction de la perturba-

tion détectée, d'une composante de compensation statique

et d'une composante de compensation dynamique pour la com-

pensation de la perturbation.

(b) conversion de la composante de compensation statique en un signal de vitesse, (c) addition de la composante de compensation

statique convertie et du signal desortie de l'unité de com-

mande pour obtenir une première somme, (d) conversion de la première somme en un signal de position, (e) addition de la composante de compensation dynamique et de la première somme convertie pour obtenir une seconde somme, et (f) détermination de la grandeur manipulée, en

conformité avec la seconde somme.

Conformément à un autre aspect de l'invention, il est prévu un système de conduite de processus, incluant en combinaison un système de commande par réaction comportant

une unité de commande du type commande de vitesse et détermi-

nant une grandeur manipulée en conformité avec le signal de sortie de l'unité de commande, et un système de commande prédictive ou à action directe comprenant des moyens pour détecter une perturbation et déterminant, en conformité

avec la perturbation détectée, une compensation de la pertur-

bation devant être introduite lors de la détermination de la grandeur manipulée de manière à contrecarrer l'effet de la perturbation, ledit système de conduite de processus comprenant:

(a) des moyens dedétermination de la compen-

sation de la perturbation, qui déterminent, en conformi-

té avec la perturbation détectée,une composante de compen-

sation statique et une composante de compensation dynami-

que pour la compensation de la perturbation,

(b) des moyens de conversion de signaux de posi-

tion en signaux de vitesse pour convertir la composante de compensation statique en un signal de vitesse,

(c) des premiers moyens additionneurs pour addi-

tionner le signal de sortie des moyens de conversion de si-

gnaux de position en signaux de vitesse et le signal de sor-

tie de l'unité de commande pour obtenir une première somme,

(d) des moyens de conversion de signaux de vi-

tesse en signaux de position pour convertir la première somme en un signal de position,

(e) des seconds moyens additionneurs pour ad-

tionner la composante de compensation dynamique et le si-

gnal de sortie des moyens de conversion dessignaux de vi-

tesse en signaux de position de manière àobtenir une secon-

de somme, la seconde somme étant utilisée pour déterminer

la grandeur manipulée.

D'autres caractéristiques et avantages de la

présente invention ressortiront de la description donnée ci-

après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1, dont il a déjà été fait mention,

est un schéma-bloc montrant un système classique de con-

duite de processus; la figure 2, dont il a déjà été fait mention, est un schéma-bloc montrant une partie d'un autre système

classique de conduite de processus comprenant un con-

vertisseur de signaux de vitesse en signaux de position; lesfigures 3 A et 3 B, dont il a déjà été fait

mention, sont des chronogrammes illustrant le fonctionne-

ment du système de la figure 2; la figure 4, dont il a déjà été fait mention, est un schéma montrant un exemple d'un système d'échangeur de chaleur équipé d'un appareil de conduite de processus; la figure 5 est un schéma-bloc montrant une

forme de réalisation d'un appareil de conduite de proces-

su conforme à l'invention; la figure 6 est un chronogramme illustrant le fonctionnement de l'appareil de la figure 5;

la figure 7 est un schéma-bloc montrant une au-

tre forme de réalisation de la présente invention; la figure 8 est un chronogramme illustrant le fonctionnement de l'appareil de la figure 7; les figures 9 et 10 sont des schéma-blocs montrant d'autres formes de réalisation de l'invention; et

la figure 11 est un schéma-bloc montrant une mo-

dification d'une partie de la forme de réalisation de la fi-

gure 10.

La figure 5 montre une forme de réalisation de la présente invention comportant une unité de commande du

type à commande de vitesse, dans son système de réaction.

Une grandeur de processus PV, qui est obtenue à la suite de la détection d'une grandeur réglée X, est renvoyée à un comparateur 31 et est comparée àzune valeur prescrite SV L'erreur résultante, c'est-à-dire l'écart de

la variable de processus PV par rapport à la valeur prescri-

te SV, est envoyée à une unité de commande 32, qui effectue les opérations de commande nécessaire pour mettre en oeuvre l'une quelconque ou une combinaison des actions de commande

de P (proportionnalité), I (intégration) et D (différen-

tiation Le signal de sortie 32 a délivré par l'unité de commande 32 est appliqué par l'intermédiaire d'un premier additionneur 33, d'un convertisseur de signaux de vitesse en signaux de position 34 et d'un second additionneur 35

à un processus 36, sous la forme d'une grandeur manipu-

lée M Ainsi se trouve formé un système de réaction, qui envoie par réaction la grandeur réglée X au comparateur 31 pour effectuer le contrôle ou la conduite du processus 36. D'autre part, pour la commande prédictive ou à action directe, un signal de perturbation D est envoyé à une unité 37 de compensation de perturbation de sorte que l'on obtient une composante de compensation statique D et une composante de compensation dynamique E L'unité 37 de compensation de la perturbation comporte une unité 38 d'obtention de la composante de compensation statique et un organe différentiateur incomplet 42 qui délivre la composante de compensation dynamique E en effectuant la

différentiation incomplète de la composante de compen-

sation statique B délivrée par l'unité 38.

La raison pour laquelle on obtient de cette

manière les composantes de compensation statique et dyna-

* mique B et E va être expliquée ci-après En réécrivant l'équation ( 4), on obtient: KD t (T TD) S GF kp + 1 J

KD KD (T -T S

= DD P D) ____ -( 9)

K K1 + T S à 9

pp D

Le premier terme de droite représente la com-

posante de compensation statique B Plus particulièrement,la

fonction de transfert ou le coefficient de l'unité 38 dél-i-

vrant la composante de compensation statique est le premier

terme mentionné et l'unité 38 délivre le produit de son si-

gnal d'entrée par la fonction de transfert Le second terme de droite représente la composante de compensation dynamique,

c'est-à-dire le produit de la composante de compensation sta-

tique B par l'expression suivante:

(TP TD) S

1 + T D S ( 10)

Plus particulièrement la composante de compensation dyna-

mique B peut être obtenue en envoyant le signal de sortie

de l'unité 38 délivrant la composante de compensation stati-

que au différentiateur incorporé 42, qui possède la fonction

de transfert représentée par l'équation ( 10).

La composante de compensation statique B est ap-

pliquée à un organe soustracteur ou à un détecteur de dif-

férence 51, qui délivre la différence entre unecomposante de compensation statique E N obtenue au dernier instant (ou

instant actuel) d'échantillonnage et la composante de com-

pensation statique Bn-1 obtenue lors de l'instant d'échan-

tillonnage précédent, ce qui a pour effet que la composante de compensation statique B peut être convertie en un signal de vitesse, Le signal de sortie du détecteur de différence 51 est envoyé au second additionneur 33 et est ajouté au signal de sortie 32 a provenant de l'unité de commande 32 La somme est envoyée à un convertisseur 34 qui convertit la somme en un signal de position A Plus particulièrement le convertisseur 34 réalise la conversion vitesse-position en additionnant les signaux d'entrée aux-instants respectifs

d'échantillonnage, c'est-à-dire par addition du signal d'en-

trée obtenu à un instant ou au dernier instant d'échantillon-

nage à la somnedes entrées précédemment échantillonnées et additionnées.

La composante de compensation dynamique ou le si-

gnal de sortie provenant du circuit différentiateur incom-

plet 42 est envoyé à un troisième additionneur 35 pour être

ajouté au signal A La somme ou le signal de sortie prove-

nant du troisième additionneur 35 est envoyée en tant que

grandeur manipulée M à un processus ou un système comman-

dé 36, en vue de réaliser la commande de la grandeur con-

tr 6 lée X. On va décrire le fonctionnement de la forme de réalisation représentéesur la figure 5 en se référant à la figure 6 Lorsque la perturbation D varie d'une unité " 1 " (un pas unitaire), le signal de sortie B délivré par l'unité 38 de formation de la composante de compensation statique,le signal de sortie C délivré par le détecteur de différence 51 et le signal de sortie E fourni par le

circuit différentiateur incomplet ont l'allure représen-

tée sur la figure 6 On peut voir qu'en réponse à une varia-

tion de la perturbation D, le signal de sortie E du circuit différentiateur incomplet 42 varie autour du niveau zéro

( 0), c'est-à-dire qu'il augmente en réponse à l'accroisse-

ment de la perturbation, puis tombe à 0, chute et devient

négatif en réponse à la chute de la perturbation D et re-

monte à la valeur zéro Le signal de sortie E reste nul tant que la perturbation D est constante Le signal de

sortie B délivré par l'unité 38, qui est un signal de posi-

tion, est converti en un signal de vitesse par le détecteur

de différence 51 Le signal de sortie C délivré par le dé-

tecteur de différence 51 augmente immédiatement et tombe à zéro en réponse à la montée de la perturbation D et tombe au-dessous de zéro et augmenteimmédiatement en revenant à zéro en réponse à la chute de la perturbation D Tant

que la perturbation D reste constante, le signal de sor-

tie C reste constant ou nul.

Comme cela a été décrit ci-dessus, conformé-

ment à la présente invention, les signaux de sortie B et C qui représentent la composante de compensation statique et le signal de sortie E qui représente la composante de compensation dynamique peuvent êtmeobtenu Sindépendamment l'un

de l'autre de sorte que l'analyse des caractéristique quali-

tatives du système peut être grandement facilitée En outre, un gain approprié (dont la valeur peut être différente en

fonction de la direction dans laquelle la perturbation aug-

mente ou décroît) et une zone morte appropriée peuvent être déterminés indépendamment de chacune des composantes de

compensation statique et dynamique.

-En outre,lorsque l'on utilise un détecteur de différences 51 pour obtenir le signal C, non seulement

le signal E représentant la composante de compensation dy-

namique mais également le signal e représentant la composan-

te de compensation statique restent essentiellement nuls si la perturbation D reste constante C'est pourquoi il est

possible d'introduire des générateurs de fonctions en for-

me de lignespolygonales de manière à recevoir les signaux C et E respectivement et à envoyer les signaux de sortie

au second et au troisième additionneurs 33 et 35 respecti-

vement Par conséquent différentes zones mortes peuvent être

réglées potrdes composantes de compensation statique et dy-

namique.

La figure 7 représente ureautre forme de réali-

sation semblable à la forme de réalisation des figures 5

et 6, hormis en ce qu'un détecteur de niveau 58 est rac-

cordé de manière à détecter le niveau du signal de sortie E délivré par le circuit différentiateur incomplet 42, et

qu'un commutateur 58 A est prévu de manière à répondre au dé-

tecteur 58 pour l'établissement ou la coupurede la conne-

xion entre l'unité de commande 32 et le second additionneur

33 en fonction du fait que le signal de sortie E représen-

tant la composante de compensation dynamique est délivré par le circuit différentiateur incomplet 42 est inférieur

ou supérieur à une valeur prédéterminée.

En cours de fonctionnement, lorsque le signal E

est compris entre la limite supérieure EH et la limite infé-

rieure EL sur la figure 8, le commutateur 58 A ferme ou éta-

blit la connexion entre le l'unité de commande 32 et le se-

cond additionneur 33 de telle sorte qu'à la fois la comman-

de par réaction (en réponse au signal d'erreur délivré par

le comparateur 31) et la commande prédictive ou à action di-

recte (en réponse à la direction de la perturbation D) se- ront efficaces D'autre part, si le signal de sortie E s' écarte de la gamme comprise entre les limites supérieure

et inférieure E 1 et E He le commutateur 58 A coupe la con-

nexion entre l'unité de commande 32 et le second addition-

neur 33 de sorte que la commande par réaction est interrom-

pue, tandis que la commande prédictive seule continue à as-

surer la compensation de la perturbation D C'est pourquoi la forme de réalisation de la figure 7 présente un avantage par rapport à la forme de réalisation de la figure 5, en ce que le système de commande prédictive qui réalise une correction prédictive optimale en réponse à une variation

importante brusque de la perturbation D n'est pas pertur-

bée par l'action de commande triple PID du système de réac-

tion.

La figure 9 montre une autre forme de réalisa-

tion de l'invention, qui est similaire à la forme de réali-

sation des figures 7 et 8 hormis que l'on a ajouté un se-

cond commutateur 58 B qui établit ou interrompt la connexion

entre le circuit différentiateur incomplet 42 et le troisiè-

me additionneur 35 en fonction du fait que le signal de sor-

tie E délivré par le circuit différentiateur incomplet 42

est supérieur ou inférieur à un niveau prédéterminé.

Le commutateur supplémentaire 58 B sert à empê-

cher l'application de la composante de compensation dyna-

mique à l'additionneur 35 lorsque la compensation dynamique est relativement faible On peut dire que le fonctionnement du commutateur 58 B est semblable à celui d'un générateur de

fonction possédant une zone morte.

La figure 10 montre une autre forme de réalisa-

tion de l'invention, qui est fondamentalement semblable à la forme de réalisation de la figure 9, mais la forme de réalisation de la figure 10 présente un agencement selon lequel la fonction de transfert de l'unité 38 délivrant la composante de compensation statique peut être modifiée lorsque le système de commande est à l'état stationnaire ou

stable cette forme de réalisation présente les caractéris-

tiques supplémentaires suivantes.

L'unité 38 comprend une unité 39 fournissant une fonction de transfert fixe, un multiplicateur 40 et un intégrateur 44 L'intégrateur 44 réalise l'intégration d'un signal de sortie délivré par un circuit soustracteur 43 lorsqu'un commutateur 62 A est fermé Le multiplicateur délivre le produit des signaux de sortie délivréspar l'unité 39 délivrant la fonction de transfert fixe et par l'intégrateur 44 et délivre un signal B représentant la

composante de compensation statique.

Le circuit soustracteur 43 détermine la diffé-

rence entre le signal de sortie B délivré par l'unité 38

et le signal de sortie A délivré par le convertisseur 34.

Le commutateur 62 A ainsi que les commutateurs

62 B 1 et 62 B 2 sont commandéspar le signal de sortie d'une bas-

cule bistable 62 située dans une unité de commande de correc-

tion 53.

L'unité de commande de correction 53 inclut une unité de décision d'état permanent servant à déterminer si

le système de commande est ou non à l'état stationnaire.

L'unité 54 comprend un premier, un second et un troisième détecteurs de niveau 57, 58 et 59 Le premier détecteur niveau 57 est branché de manière à recevoir le signal de

sortie C du détecteur de différence 51 et est apte à pro-

duire un signal de niveau "haut" lorsque le signal de sor-

tie C est inférieur à un niveau prédéterminé Le second détecteur niveau 58 est branché de manière à recevoir le signal de sortie E du circuit différentiateur incomplet 42 et délivre un signal à niveau "haut" lorsque le signal de sortie E est inférieur à un niveau prédéterminé Le troisième détecteur de signaux 59 est branché de manière

à recevoir le signal de sortie en ducomparateur 31 et déli-

vre un signal à niveau "haut" lorsque le signal de sortie en est inférieur à un niveau prédéterminé Une porte ET

reçoit les signaux de sortie parvenant des premier, se-

cond et troisième détecteurs de niveau 57, 28 et 59 et dé-

livre un signal 60 a indiquant que le système de commande

est maintenu à l'état stationnaire, lorsque les signaux d'en-

trée provenant du premier, du second et du troisième détec-

teurs 57, 58 et 59 sont simultanément au niveau "haut".

Un détecteur de niveau 55 est branché de ma-

nière à recevoir le signal de sortie du circuit soustrac-

teur 43 et délivre un signal de niveau "haut" si le signal

de sortie du circuit soustracteur 43 est-supérieur à un ni-

veau prédéterminé Un minuterie à retardement 56 délivre un signal qui augmente à la fin d'un certain intervalle de temps, après la montée du signal de sortie du détecteur de niveau

Le signal de sortie délivré par la minuterie 56 est en-

voyé à la fois à la seconde porte ET 61 et à un inverseur 63 La seconde porte ET 61 délivre un signal à niveau "haut"

lorsque le signal de sortie 60 a de la porte ET 60 et le si-

gnal de sortie de la minuterie 56 sont simultanément au ni-

veau "haut" La bascule bistable 62 est positionnée par le

signal de sortie à niveau "haut" de la porte ET 61.

Un inverseur 63 inverse le signal de sortie de

la minuterie 56 Une minuterie 64 délivre un signal qui aug-

menteau bout de l'expiration d'un certain intervalle de temps

après la montée du signal de sortie de l'inverseur 63 La bas-

cule bistable 62 est ramenée en position initiale par le si-

gnal à niveau "haut" de la minuterie 64.

Tant que la bascule bistable 62 reste dans l'état positionné, le commutateur 62 A établit la connexion entre le circuit soustracteur 43 et l'intégrateur 44 de sorte que le signal de sortie délivré par le circuit soustracteur 43 est intégré Le signal de sortie de l'intégrateur 44 est appliqué au multiplicateur 40 et est multiplié par le signal de sortie

délivré par l'unité 39 délivrant la fonction de transfert fi-

xe, de sorte que la fonction de transfert de l'unité 38 varie de façon correspondante En même tant que la fermeture du com-

mutateur 62 A, les commutateurs 62 B 1 et 62 B 2 sont ouvertsde sor-

te que les signaux de sortie provenant du détecteur de diffé-

rence 51 et du circuit différentiateur incomplet 42 ne seront pas appliqués au second et au troisième:additionneurs 33 et

35, et par conséquent la commande prédictive est interrompue.

Le détecteur de niveau 55 est prévu de manière

à permettre une modification de la compensation de la pertur-

bation uniquement lorsque le signal de différence délivré par

le circuit soustracteur 43 est supérieur à un niveau prédé-

terminé Lorsque le signal de différence est faible et négli-

geable, le détecteur de niveau 55 empêche toute modification

de la compensation de la perturbation.

La minuterie 56, qui est raccordée au détecteur de niveau 55,est prévue de manière à déclencher la correction

de compensation de la perburation uniquement lorsque le si-

gnal de sortie délivré par le circuit soustracteur 43 conti-

nue à posséder une valeur importante pendant un certain in-

tervalle de temps C'est pourquoi, même si le signal de dif-

férence augmente pendant un très bref intervalle de temps, par exemple par suite d'un parasitage, aucune correction ne

sera effectuée.

La minuterie 64 est prévue de manière à permet-

tre un arrêt de la correction, un bref intervalle de temps après que le signal de différence soit devenu inférieur au

niveau prédéterminé.

Comme décrit ci-dessus, conformément à la forme de réalisation de la figure 10, la correction de la fonction de transfert de l'unité 38 est validée de telle manière que la composante de compensation statique se rapproche du signal

de sortie A lorsque le système de commande est à l'état sta-

tionnaire.

Par conséquent la compensation de la perturba-

tion peut être optimisée.

Au lieu de modifier le coefficient de l'unité 38, il est possible de modifier la polarisation appliquée à l'uni-

té 38 de manière à obtenir des effets similaires.

Dans la forme de réalisation de la figure 10, le système de commande s'avère être à l'état stationnaire

lorsque le signal d'erreur en, le signal de sortie C prove-

nant du détecteur de différence 51 et le signal de sortie

E provenant du circuit différentiateur incomplet 42 sont in-

férieurs à leurs niveaux respectifs prédéterminés Mais il faut comprendre que n'importe quelle autre variable ou paramètre approprié peut être utilisé pour décider si le système de

commande est ou non à l'état stationnaire Par exemple l'agen-

cement peut etre tel que représenté sur la figure 11, sur

laquelle le signal de sortie A du convertisseur 34 est envo-

yé à un circuit différentiateur incomplet 65 et le signal de sortie de ce dernier est envoyé à un détecteur de niveau

66 qui décide si le signal de sortie est supérieur ou infé-

rieur à un niveau prédéterminé La décision quant au fait

que le système de commande est ou non à l'état stationnai-

re, peut être déterminée en fonction du résultat de la dé-

cisionprise par le détecteur de niveau 66.

Les éléments constitutifs des systèmes de com-

mande des types décrits ci-dessus peuvent être soit du type analogique, soit du type numérique, peuvent être constitués par des composants discrets, ou bien peuvent être réalisés

sous la forme d'un ordinateur programmé.

Claims

REVENDI CATIONS

1 Procédé de conduite de processus, incluant en combinaison une commande par réaction, dans laquelle un écart d'une grandeur réglée (PV) par rapport à une valeur prescrite (SV) est envoyé à une unité de commande ( 32) du type à commande de vitesse, et une grandeur manipulée (M) est déterminée en fonction du signal de sortie de l'unité

de commande ( 32), et une commande prédictive ou à action direc-

te, selon laquelle une perturbation (D) est détectée et une conpensaticn de la perturbation est déterminée et introduite lors de la déterminaticn de la grandeur manipulée (M) de manière à contrecarrer l'action de la perturbation, caractérisé en oequ'il comprend les phases opératoires suivantes:

(a) détermination, en fonction de la perturba-

tion détectée (D), d'une composante de compensation stati-

que (B) et d'une composante de compensation dynamique (E) pour la compensation de la perturbation, (b) conversion de la composante de compensation statique (B) en un signal de vitesse (C), (c) addition de la conosante de carpensation statique

convertie (C) et du signal de sortie de l'unité de comman-

de ( 32) pour obtenir une première somme, (d) conversion de la première somme en un signal de position (A),

(e) addition de la composante de compensation dy-

namique (R) et de première somme convertie pour obtenir une seconde somme, et (f) détermination de la grandeur manipulée (M)

en conformité avec la seconde somme.

2 Procédé selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce que la détermination de ladite composante de compen-

sation dynamique (E) est réalisée au moyen d'une différentia-

tion incomplète de ladite composante de compensation stati-

que.

3 Procédé selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce que, lorsque la composante de compensation dyna-

mique (E) est supérieure à une valeur prédéterminée, le signal de sortie de l'unité de commande ( 32) est ignoré et la grandeur manipulée (M) est déterminée uniquement en conformité avec la compensation de la perturbation (D).

4 Procédé selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce qu'il inclut en outre la correction d'un facteur servant à détermination la compensation de la perturbation

(D) afin de rapprocher la valeur de la composante de com-

pensation statique (B) de la valeur de ladite première som-

me convertie.

Système de conduite de processus, incluant

en combinaison un système de commande par réaction compre-

nant une unité de commande ( 32) du type à commande de vi-

tesse et déterminant une variable manipulée (M) en confor-

mité avec le signal de sortie de l'unité de commande, et un

système de commande prédictive ou à action-directe compor-

tant des moyens ( 31) pour détecter une perturbation (D), et

déterminant en conformité avec la perturbation (D) détec-

tée, une compensation de la perturbation pouvant être in-

troduite pour la détermination de la grandeur manipulée (M)

afin de contrecarrer l'action de la pertubation, caractéri-

sé en ce qu'il comporte:

(a) des moyens ( 37) de détermination de la com-

pensation de la perturbation, qui déterminent, en conformi-

té avec la perturbation détectée (D), une composante de com-

pensation statique (B) et une composante de compensation dy-

namique (E) pour la compensation de la perturbation, (b) des moyens ( 51) de conversion de signaux

de position en signauxde vitesse pour convertir la compo-

sante de compensation statique (B) en un signal de vitesse (C), (c) des premiers moyens additionneurs ( 33) pour

additionner le signal de sortie (C) des moyens ( 51) de con-

version de signaux de position en signaux de vitesse et le signal de sortie de l'unité de commande ( 32) de manière à obtenir une première somme, (d) des moyens ( 34) de conversion de signaux

de vitesse en signaux de position servant à convertir la pre-

mière somme en un signal de position (A), et

(d) des seconds moyens additionneurs ( 35) ser-

vant à additionner la composante de compensation dynamique (E) et le signal de sortie (A) du convertisseur de signaux de vitesse en signaux de position ( 34) afin d'obtenir une seconde somme,

la seconde somme étant utilisée pour la détermi-

nation de la grandeur manipulée (M).

6 Système selon la revendication 5, caractéri-

sé en ce que les moyens ( 37) de détermination de la compen-

sation de la perturbation comprennent des moyens ( 38) de dé-

termination de la ceaposante de coepensation statique deéterminant, en.

conformité avec la perturbation détectée (D), la composan-

te de compensation statique (B) et des moyens ( 42) de dif-

férentiation incomplète servant à réaliser une différentia-

tion incomplète de la composante de compensation statique

de manière à produire une composante de compensation dyna-

mique (E).

7.Système selon la revendication 5, caractéri-

sé en ce qu'il comporte en outre des moyens ( 58,58 A) ser-

vant à inhiber l'application du signal de sortie de l'uni-

té de commande ( 32) auxdits premiers moyens additionneurs ( 33)

lorsque la composante de compensation dynamique (E) est su-

périeure à une valeur prédéterminée.

8 Système selon la revendication 5, caracté-

risé en ce qu'il comporte en outre des moyens de décision ( 54) servant à déterminer si la commande est ou non dans un

état stationnaire, et des moyens de soustraction ( 43) ser-

vant à déterminer la différence entre la composante de com-

pensation statique (B) et le signal de sortie (A) dudit convertisseur de signaux de vitesse en signaux de position ( 34), lesdits moyens ( 37) de détermination de compensation

de la perturbation modifiant un facteur pour la détermina-

tion de la compensation de la perturbation (D) de manière à

réduire ladite différence.