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ADAPTECH - Forum IRA – ADVANTIC

Identification en Boucle Fermée et en Ligne

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FORUM IRA – ADVANTIC 11 et 12 septembre 2002

Thème de l’exposé ADAPTECH du 11 septembre 2002

Technique d’identification en Boucle Fermée et en ligne : application en centrales thermiques et sur presses à injecter

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- La conception de systèmes de commande performants et robustes nécessite une bonne connaissance du procédé ou de son modèle.

L’identification de modèles de procédés en boucle fermée s’impose en pratique : - sur les procédés caractérisés par :

§ une forte instabilité, § un fonctionnement à feux continus, § la présence d’un intégrateur, § une dérive importante du point de fonctionnement.

où il n’est guère envisageable de passer le régulateur en manuel,

- et/ou si la précision du modèle est recherchée en premier lieu.

L’objectif de l’identification d’un procédé en boucle fermée est de déterminer un modèle permettant une prédiction optimale du comportement de la boucle. L’intégration des séquences d’excitation de type SBPA dans le système de régulation permet de disposer des données expérimentales en ligne, remontées sur le superviseur par le réseau.

SNCC

Réseau

GénérateurSBPA

API

Régulateur en Auto

commandeSA EA

T

Procédé

SBPA Amplitude = 0.5 à 5 %du point de fonctionnement

Fichier de donnéesSBPAMesure

PC – CAOCommande avancée

Progiciels :Identification : WinPIMCalcul de régulateur RST : WinREG

+

+

1

2 3

SBPA

réseau



2

Utilisés conjointement à ce jeu de données les algorithmes d’identification en Boucle Fermée permettent alors l’identification sans modifier, ni perturber, ni arrêter le procédé. Le présent exposé présente brièvement une technique d’identification en boucle fermée et/ou en ligne, et illustre celle-ci de trois réalisations industrielles :

§ Identification en ligne des boucles pression air primaire, température vapeur réchauffage – air pression four – dans une centrale thermique. Cette réalisation est détaillée dans l’exposé de Melle HASHIM – Alstom :

ο « Identification et régulation RST appliquées dans les centrales thermiques ».

§ Identification en boucle fermée des axes d’asservissement de deux machines à injecter le

plastique.

o Presse horizontale SANDRETTO pour injection de matière thermodurcissable dans un moule.

o Presse verticale pour injection de matières souples dans un moule.



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TECHNIQUES D’IDENTIFICATION EN BOUCLE FERMEE ET EN LIGNE

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REALISATION 1

Identification en ligne des boucles pression air primaire, température vapeur réchauffage

– air pression four – dans une centrale thermique --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Architecture de régulation : Système de contrôle ALSTOM / Alspa P320 à intelligence distribuée comprenant :

§ Superviseur § Réseau § Automates C370

Acquisition des mesures en vue de l’identification : Les algorithmes d’excitation SBPA et de régulation RST sont programmés dans les automates et permettent ainsi de réaliser des acquisitions en ligne sur simple commande de l’opérateur. Ces mesures sont remontées sur le superviseur via le réseau. Identification d’un modèle Un poste PC (CONTROSET) connecté au réseau est équipé du progiciel d’identification WinPIM. L’opérateur récupère en ligne les mesures via le réseau, et démarre l’identification. Les différentes phases de l’identification (mise en forme des données, identification, validation sont réalisées « hors ligne » par l’opérateur. Régulateur RST Lorsque le modèle est validé, celui-ci peut être utilisé par WinREG, pour le calcul d’un régulateur RST qui sera alors téléchargé sur l’automate via le réseau.

Exemple de réalisation 1Exemple de réalisation 1 : : identification et régulation sur identification et régulation sur centrale thermiquecentrale thermique

Exposé de Melle HASHIM (Sté ALSTOM) :

• Régulation pression air primaire

• Régulation température vapeur réchauffage – préchauffage air

• Régulation dépression foyer

Alspa P320



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REALISATION 2

Identification en boucle fermée et en ligne des axes d’asservissements d’une presse horizontale

pour injection de matières plastiques dans un moule ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Système de commande 2 racks PC industriels : § PC IHM

∼ Windows NT4.0 - ethernet ∼ WinPIM – WinREG

§ PC Temps réel

∼ Asservissements RST ∼ Générateur de signaux SBPA ∼ E/S sur réseau CAN

Extrudeuse BRITE asservissements 5 axesExtrudeuse BRITE asservissements 5 axes

Exemple de réalisation 2Exemple de réalisation 2 : : identification et identification et asservissementasservissement



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Circuit hydraulique 5 axes § Ouverture / fermeture moule § Avance / recule chariot § Injection § Plastification § Ejection moule



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Mouvements sur les 5 axes



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Axe ouverture / fermeture moule 3 régulateurs RST Capteurs : Pression P1 200 bars Pression P2 200 bars Déplacement X2 Actionneurs : Pompe VM1d = U1d – alfa * Urd Pompe VM2d = U2d + U1d/(alfa –1) Alfa = rapport des surfaces du vérin hydraulique L’action sur U2d contrôle la somme des pressions L’action sur U1d contrôle la différence de pression, donc le mouvement. Identification en Boucle Fermée de l’axe « Ouverture / fermeture moule » Boucle Pfa / U1d et régulateur RST2 Régulateur RST1 boucle U2d (somme pression) en AUTO

1) identification en Boucle ouverte

§ application d’une SBPA sur l’actionneur U1d et récupération des mesures Pfa = P1a – P2a/alfa (échantillonnage : 10 ms) via le réseau ethernet.

§ identification avec WinPIM* d’un premier modèle Pfa / U1d et validation du modèle. § Aà partir de ce modèle, calcul d’un premier régulateur RST2 avec WinREG

EHIM Simulation : Clamping Control

ClampingSystem

ClampingSystem

EHIM / Clamping Control

RST3

RST2

RST1



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2) identification en Boucle fermée § régulateur RST2 boucle U1d en AUTO § application d’une SBPA sur la consigne du régulateur RST2 § identification d’un deuxième modèle Pfa/U1d plus précis, et validation § à partir de ce deuxième modèle, calcul du régulateur RST2 final – test et validation

* une présentation détaillée de la méthode d’identification en boucle fermée sera faite le 12 septembre dans la session « Tribune Technique » du Forum ADVANTIC Mode opératoire Génération du signal d’excitation SBPA Utilitaire intégré au PC temps réel pour la création du signal d’excitation (échelon, créneau, SBPA).



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Application du signal SBPA Utilitaire intégré au PC temps réel pour la configuration de la boucle d’asservissement à identifier. Modèle paramétrique identifié Pfa =

0,080415 Z-1 + 0,124450 Z-2 1 – 1,3532 Z-1 – 0,746820 Z-2

. U1d



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Réponse du modèle ident ifié à un échelon

Apport de l’identification en ligne et en boucle fermée sur l’asservissement de position du moule § en ligne : . facilité de réalisation des jeux de données expérimentales (SBPA, mesure, commande) rendant la mise en service et la maintenance plus rapides. § en boucle fermée : . meilleure précision du modèle identifié (gain statique, pulsations) . amélioration des performances de l’asservissement RST recalculé sur les bases du modèle en boucle fermée :

∼ bonne robustesse par rapport aux variations de masses des moules (rapport de 1 à 2 : 500 kg à 1 tonne)

∼ pas de dépassement sur la consigne de position



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REALISATION 3

Identification en boucle ouverte puis en boucle fermée de l’axe injecteur d’une presse à injecter une matière plastique souple

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Système à identifier Le système à identifier (et à réguler) concerne l'injection de matière souple sur une presse verticale*. Ce procédé consiste à injecter dans un moule la matière souple chauffée via une buse, et grâce à un cylindre entraîné par une pompe hydraulique à débit variable. La présente note décrit : § l’identification de la boucle de régulation de vitesse du piston injecteur, § les résultats de robustesse du régulateur issus des modèles identifiés avec des produits

différents. ð Dans ces réglages, l'injecteur peut avoir 4 charges différentes :

- à vide (sans matière, moule ouvert). - difficile (avec de la matière très élastique, moule fermé). - moyenne (avec de la matière intermédiaire, moule fermé). - normale (avec de la matière standard, moule fermé).

. .. . . .. . .. . … . * Nouveau type de presse, avec régulation RST en lieu et place de PID

Mesure position

Pompe à débit variable

distributeur Cylindre injecteur

Matière plastique

injecteur

PC + carte d’acquisition

+ progiciel WinTRAC + SBPA + RST

0/10V 4/20



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Identification

1) Essais indiciels

Au préalable, compte-tenu des perturbations occasionnées par la charge (matière souple), il est préférable d'identifier le système à vide et de considérer la matière souple comme une charge quelconque. La première série d'essai consiste à envoyer des échelons de vitesse de pompe pour différent points de fonctionnement (vitesse moyenne), afin de : § délimiter la plage linéaire du fonctionnement par comparaison des gains statiques. § déterminer la période d'échantillonnage optimale en fonction du temps de montée en Boucle

Ouverte.

Injection : Essai indiciel à basse vitesse (fichier "cr_BOp12.a01")

Injection : Essai indiciel à haute vitesse (fichier "cr_BOp79.a01")



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La réponse à un échelon du système "vitesse injection / commande pompe" est du type second ordre apériodique avec retard pur, dont les paramètres suivants ont été estimés :

- temps de retard pur d'environ 30 ms. - temps de montée (temps de réponse à 90%) d'environ 100 ms. - gain statique d'environ 1.07 V/V, quelque soit la vitesse moyenne.

La période d'échantillonnage est alors fixée à 10 ms, compte-tenu du temps de montée de 100 ms. Nota : La dynamique en accélération est plus rapide qu'en décélération , le modèle identifié aura donc à fortiori une dynamique moyenne. Le cylindre d'injection doit toujours être en mouvement, car dans le cas où le cylindre part d'une position d'arrêt, un phénomène de frottements secs apparaît et occasionne des non-linéarités supplémentaires.

2) Identification en Boucle Ouverte puis en Boucle Fermée (et réglages des régulateurs de vitesse) 2.1 Acquisition de données

L’essai consiste à envoyer une séquence binaire pseudo-aléatoire (SBPA) sur la commande de la pompe agissant sur le procédé sans charge, avec les caractéristiques suivantes :

- Valeur moyenne de 4 V (vitesse moyenne). - Amplitude de +/- 1 V. - Nombre de registres N=7. - Diviseur de fréquence p=2. - Période d'échantillonnage Te= 10 ms => durée de l'essai = (2N-1)*p*Te = 2.54 s.

Injection : Essai à moyenne vitesse, après retrait de la composante continue (fichier "id_BOvp4.fil")



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2.2 Identification du modèle en Boucle Ouverte "vitesse / pompe"

2.3 Calcul des coefficients RST du régulateur "vitesse <= pompe" à partir du modèle identifié en Boucle Ouverte

2.4 Test du régulateur "vitesse <= pompe"

Régulation vitesse Injection : comparaison entre la réponse prévue en simulation sur le modèle identifié en BO

et la réponse réellement observée en réalité sur le procédé sans charge (à vide).

Progiciel WinReg

Fichier régulateur RST

re_BOvp4.reg

Fichier modèle identifié en Boucle Ouverte

iId_BOvp4.mod

Progiciel WinPim

Fichier acquisition Fichier modèle en Boucle ouverte id_Bovp4.fil id_Bovp4..mod



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Il y a un écart entre ce qui était prévu en simulation et la réalité. En particulier, on remarque une erreur statique au niveau des commandes calculées. Le système a alors été identifié en boucle fermée, en superposant une SBPA sur la sortie du régulateur précédemment calculé. 2.5 Identification du modèle en Boucle Fermée "vitesse / pompe". Le régulateur RST

précédemment calculé à partir du modèle identifié en Boucle ouverte

2.6 Calcul des coefficients RST du régulateur "vitesse <= pompe"

Injection : comparaison entre les 2 modèles "vitesse/pompe"

Progiciel WinPim

Fichier modèle en Boucle Fermée

id_BFvp4..mod

Fichier acquisition

id_BFvp4.fil

Progiciel WinReg

Fichier régulateur RST

re_BFvp4.reg

Fichier modèle identifié en Boucle Fermée

id_BFvp4.mod

(Boucle Ouverte) (Boucle Fermée)



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Dans le premier modèle identifié, en Boucle Ouverte, le gain est surestimé de 20 % par rapport à la réalité. Dans les deux modèles, le temps de retard pur est 10 ms et le temps de montée est 70 ms. Les courbes suivantes confirment la validité du modèle identifié en Boucle Fermée :

Régulation vitesse Injection :

comparaison entre la réponse prévue en simulation sur le modèle identifié en Boucle Fermée et la réponse réellement observée en réalité sur le procédé sans charge (à vide).



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Régulation vitesse Injection : comparaison entre les 2 types de régulateurs (calculé à partir de deux modèles

différents) avec une charge difficile

On constate avec ces essais en charge, que le régulateur calculé sur le modèle identifié en boucle fermée est le meilleur. Ce régulateur sera donc installé sur le système de commande



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Tests de robustesse pour la régulation en vitesse

Régulation vitesse Injection : Test de robustesse pour une consigne de vitesse de 1V (5 mm/s) et pour différents

types de matière souple à injecter (standard, intermédiaire, fluide, visqueuse).

Apport de l’identification en Boucle Fermée sur l’asservissement de vitesse de l’injecteur de la presse verticale Meilleure précision du modèle identifié (gain statique – dynamique). Meilleure robustesse du régulateur RST calculé à partir de ce modèle permettant une qualité homogène avec différentes nuances de matières injectées.

matière

matière

_matière difficile

matière matière

matière

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