Qu'est-ce que Régulation PID ?

Commande par rétroaction qui fixe la grandeur de commande en additionnant un terme proportionnel à l'erreur e (P), un terme proportionnel à l'intégrale de l'erreur (I) et un terme proportionnel à la dérivée de l'erreur (D). Elle s'écrit u = Kp(e + (1/Ti)∫e dt + Td·de/dt), où Kp est le gain proportionnel, Ti le temps d'intégration et Td le temps de dérivation. Le terme proportionnel apporte la rapidité, le terme intégral élimine l'erreur en régime permanent et le terme dérivé atténue les oscillations. Sa structure est simple, et elle est utilisée dans la plupart des boucles de régulation industrielles, pour la température, les moteurs, les alimentations, les procédés chimiques, etc.

Nom japonais: PID制御

« Régulation PID » apparaît dans 9 questions d'entraînement réparties sur 2 thèmes, dont Bases de l'automatique, Circuits analogiques et électroniques.

Domaine: Bases de l'automatique

Rôle des trois actions

L'action proportionnelle devient plus rapide à mesure que l'on augmente le gain, mais à elle seule elle laisse une erreur en régime permanent (écart statique), et un gain trop élevé provoque des oscillations. L'action intégrale cumule l'erreur restante et annule l'erreur en régime permanent, mais elle ajoute un retard de phase et rend les oscillations plus probables. L'action dérivée anticipe l'évolution de l'erreur et atténue les oscillations, mais elle amplifie le bruit ; on l'utilise donc sous forme de dérivée filtrée, combinée à un filtre passe-bas.

Choisir les gains

Avec un modèle du procédé, on peut choisir les gains en vérifiant la marge de phase sur un diagramme de Bode. Sans modèle, on fixe les valeurs initiales par des règles empiriques comme la méthode de Ziegler–Nichols du gain critique ou la méthode de la réponse indicielle, puis on les ajuste en surveillant le dépassement et le temps de stabilisation. Les valeurs de Ziegler–Nichols donnent une réponse assez oscillante, si bien que l'on baisse souvent le gain à partir de là.

Points d'attention pour une mise en œuvre numérique

Sur un microcontrôleur, l'intégrale se calcule par Σe·Ts et la dérivée par une différence comme (e[k] − e[k − 1])/Ts, avec une période d'échantillonnage Ts fixe. On se prémunit contre l'emballement de l'intégrale dû à la saturation de la grandeur de commande par des méthodes comme l'intégration conditionnelle, et l'on évite le coup de dérivée provoqué par les changements brusques de consigne en n'appliquant la dérivée qu'à la mesure. L'échantillonnage et le temps de calcul ajoutent un retard de phase : on choisit donc une fréquence d'échantillonnage bien supérieure à la fréquence de croisement du gain.

S'entraîner : questions sur Régulation PID

Quelle combinaison du but principal de l'ajout d'une action intégrale (I) dans une régulation PI et de son effet secondaire est correcte ?

  1. ALe but est d'éliminer le bruit à haute fréquence, et l'effet secondaire est une erreur en régime permanent plus grande
  2. BLe but est d'éliminer l'erreur en régime permanent pour une consigne ou une perturbation constante, et l'effet secondaire est un retard de phase qui rend la boucle plus encline à osciller
  3. CLe but est d'anticiper l'évolution de l'erreur pour accélérer la réponse et limiter l'excursion au-delà de la consigne, et l'effet secondaire est une forte amplification du bruit à haute fréquence
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Réponse : B. Le but est d'éliminer l'erreur en régime permanent pour une consigne ou une perturbation constante, et l'effet secondaire est un retard de phase qui rend la boucle plus encline à osciller

L'action intégrale cumule l'erreur au cours du temps pour former la grandeur de commande : tant qu'il reste la moindre erreur, elle continue de modifier la grandeur de commande et finit par annuler l'erreur en régime permanent. En revanche, un intégrateur retarde la phase de 90°, ce qui réduit la marge de phase et rend dépassement et oscillations plus probables. On règle donc le temps d'intégration Ti pour qu'il ne soit pas trop court. Accélérer la réponse, limiter l'excursion au-delà de la consigne et tendre à amplifier le bruit sont des caractéristiques de l'action dérivée.

Quelle combinaison d'une propriété de l'action dérivée (D) dans une régulation PID et d'une mesure prise lors de sa mise en œuvre est correcte ?

  1. AElle cumule l'erreur au cours du temps pour éliminer l'erreur en régime permanent, et pour éviter l'emballement de l'intégrale, on supprime les limites haute et basse de la grandeur de commande
  2. BSon gain diminue aux hautes fréquences, elle est donc insensible au bruit, et on n'utilise pas de filtre passe-bas, car un filtre ajouterait un retard de phase et provoquerait une instabilité ; elle est donc utilisée telle quelle
  3. CElle amortit les oscillations grâce à une grandeur de commande qui suit la vitesse de variation de l'erreur, mais elle amplifie fortement le bruit à haute fréquence ; on la combine donc avec un filtre passe-bas sous forme de dérivée filtrée
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Réponse : C. Elle amortit les oscillations grâce à une grandeur de commande qui suit la vitesse de variation de l'erreur, mais elle amplifie fortement le bruit à haute fréquence ; on la combine donc avec un filtre passe-bas sous forme de dérivée filtrée

L'action dérivée délivre une grandeur de commande proportionnelle à la vitesse de variation de l'erreur et réagit par anticipation, avant que l'erreur ne grandisse : elle amortit donc les oscillations et augmente l'amortissement. Le gain d'un dérivateur s croît proportionnellement à la fréquence, si bien qu'il amplifie fortement les composantes à haute fréquence comme le bruit des capteurs. On lui associe donc un filtre passe-bas du premier ordre, comme dans Td·s/(1 + Td·s/N) (dérivée filtrée), qui limite le gain aux hautes fréquences à environ N fois. On choisit souvent N entre 8 et 20 environ.

Questions fréquentes

Quand utiliser une régulation PI plutôt qu'une régulation PID ?

Pour de nombreuses boucles, comme celles de débit, de pression et de température, la régulation PI suffit, et l'on omet souvent la dérivée, sensible au bruit. Pour les procédés à forte inertie qui oscillent facilement, ou pour l'asservissement de position des moteurs, qui exige une réponse rapide, on ajoute la dérivée pour augmenter l'amortissement.

Quelle est la différence entre la forme parallèle et la forme standard ?

La forme parallèle écrit les trois gains de façon indépendante : u = Kp·e + Ki∫e dt + Kd·de/dt. La forme standard s'écrit Kp(e + (1/Ti)∫e dt + Td·de/dt), avec Ki = Kp/Ti et Kd = Kp·Td. Les produits et les bibliothèques n'utilisent pas tous la même forme : il faut donc convertir les paramètres quand on les transpose de l'un à l'autre.

« Régulation PID » dans les explications

Questions mentionnant « Régulation PID » (9)

  1. Quelle combinaison du but principal de l'ajout d'une action intégrale (I) dans une régulation PI et de son effet secondaire est correcte ?
  2. Quelle combinaison d'une propriété de l'action dérivée (D) dans une régulation PID et d'une mesure prise lors de sa mise en œuvre est correcte ?
  3. Dans une régulation PID, quelle méthode empêche la grandeur de commande de faire un saut brutal au moment où la consigne change en échelon (coup de dérivée, derivative kick) ?
  4. Dans la méthode de Ziegler–Nichols du gain critique, on augmente le gain en action proportionnelle seule jusqu'à obtenir une oscillation entretenue, puis, à partir de ce gain Ku et de la période d'oscillation Tu, on fixe les paramètres PID à Kp = 0,6Ku, Ti = 0,5Tu et Td = 0,125Tu. Quelles sont les valeurs pour Ku = 8 et Tu = 2 s ?
  5. Une régulation PI sous forme position est mise en œuvre sur un microcontrôleur, avec comme grandeur de commande le rapport cyclique d'un signal PWM (0 à 100 %). Quelle contre-mesure contre l'emballement de l'intégrale est correcte ?
  6. Une régulation PI numérique de période d'échantillonnage Ts = 1 ms calcule l'intégrale avec l'approximation par rectangles Σe·Ts. Avec un gain intégral Ki = 10 s⁻¹, quelle est l'augmentation du terme intégral lorsqu'une erreur e = 0,2 persiste pendant 50 échantillons ?
  7. Comment appelle-t-on le montage obtenu en remplaçant par un condensateur la résistance de contre-réaction d'un montage inverseur à amplificateur opérationnel ?
  8. Comment appelle-t-on le montage obtenu en remplaçant par un condensateur la résistance d'entrée d'un montage inverseur à amplificateur opérationnel ?
  9. Dans un système à retour unitaire, la fonction de transfert de la chaîne directe est G(s) = 9/(1 + 2s). Quelle est l'erreur en régime permanent pour une consigne en échelon d'amplitude 1 ?

Comparatifs incluant ce terme

Termes associés

Erreur en régime permanent (erreur statique) Dépassement (overshoot) Contre-réaction Amplificateur opérationnel (ampli-op) Marge de phase Microcontrôleur Rapport cyclique PWM (modulation de largeur d'impulsion) Emballement de l'intégrale (windup) Virgule fixe

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