Utilisation du régulateur PID CR20 de Canard Rouge pour le brassage

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Ce régulateur, dédié au brassage de la bière a été développé par un fabricant de régulateurs à la demande de Canard Rouge.

Ce produit, d'un coût raisonnable 29 € pour le régulateur et 22 € pour la sonde) a pour but d'améliorer la régulation de température durant l'empâtage et de pouvoir contrôler la puissance de chauffe lors de l'ébullition.

L'article Modification du Robobrew pour régulation par PID présente un exemple concret d'installation.

Ce régulateur est un produit basique et ne mémorise pas de programme d'empâtage. Pour chaque palier, il faut intervenir sur la consigne de température, mais la qualité de régulation obtenue est sans commune mesure avec celle obtenue par certains appareils de brassage tout en un.

Dans cet article, je présente les opérations à pratiquer lors des premières utilisations et les résultats obtenus.


Présentation de l'interface homme machine

AFFICHEURS

L'écran du régulateur présente deux afficheurs de valeurs :

  • PV Present value (valeur actuelle)
  • SV Set value (consigne)


Ces afficheurs ont des rôles différents selon qu'on se trouve en mode « Normal » ou en mode « Paramétrage ».

En mode « Normal »

  • PV affiche la mesure de la température effectuée par la sonde
  • SV affiche la valeur de la consigne de température

En mode « Paramétrage »

  • PV affiche le numéro du paramètre en édition
  • SV affiche la valeur du paramètre

TOUCHES

Touche Set

La touche Set permet d'entrer dans l'un des deux modes cités plus haut. Un appui bref sur cette touche permet de modifier la consigne. La valeur clignote et on peut la modifier en utilisant les touches ^ pour augmenter,V pour diminuer. Une fois la valeur définie, on l'enregistre par un nouvel appui sur Set.

Note: ce mode de fonctionnement peut être modifié par le paramètre P46. Le mode de fonctionnement décrit ci-dessus correspond à la valeur 0 de ce paramètre. Sa mise à 1 permet de se passer de l'appui sur Set pour enregistrer. Dans ce cas, l'enregistrement se fait automatiquement dès que cesse l'incrémentation ou la décrémentation

Touches ^ et V

Les touches ^ et v permettent, comme on la vu plus haut, respectivement d'augmenter ou de diminuer la valeur de la consigne ou du paramètre en édition.

Paramétrage

Pour rappel, l'accès aux paramètres se fait par un appui prolongé sur la touche Set. La sortie de ce mode se fait de la même manière.

Dans ce mode l'un des deux afficheurs clignote. Si PV clignote, les touches ^ et V permettent de modifier le numéro du paramètre à éditer. Si SV clignote, les touches ^ et V permettent de modifier la valeur du paramètre.

On passe de l'un à l'autre en appuyant brièvement sur Set.

P00

Cette valeur permet de sélectionner des paramètres sur la base d'une étiquette qui leur est attribuée et baptisée Authority.

La valeur de l'étiquette va de O à 2 et 110.

Une valeur de P00 à 0 permet d'accéder seulement aux paramètres étiquetés 0 (colonne Authority)

Une valeur de P00 à 1 permet d'accéder seulement aux paramètres étiquetés 0 ou 1.

Une valeur de P00 à 18 permet d'accéder seulement aux paramètres étiquetés 0, 1 ou 2 (c.-à-d. tous les paramètres).


Attention : une valeur de P00 à 110 réinitialise toutes les valeurs à leur état sortie d'usine.

P12

    Modifie l'affichage

   0 pas de décimale

  1 une décimale après la virgule

P16

Ce paramètre permet de définir le type de sonde utilisé.

Famille Type Valeur de P16 Plage de température
TC K 0 -200 à 1200 °C
E 1 -200 à 650 °C
I 2 -200 à 850 °C
S 3 -50 à 1700 °C
B 4 0 à 1800 °C
N 5 -200 à 1300 °C
R 6 -50 à 1700 °C
T 7 -200 à 400 °C
w3-25 10 0 à 2300 °C
w5-26 11 -200 à 850 °C
RTD PT100 8 -200 à 850 °C
Cu50 9 -50 à 150 °C


Pour une sonde PT100 la valeur est 8.

P13

Ce paramètre permet de corriger la valeur de température courante affichée. Si une différence entre la température affichée et la température réelle existe, ce paramètre positif ou négatif, permet de corriger l'affichage d'autant.

P46

À 1, permet d'activer le mode « auto-enregistrement » de la valeur de consigne réglée (c.-à-d. qu'il n'est plus nécessaire d'appuyer sur Set une fois la consigne saisie).

P67

Ce paramètre permet de choisir le mode de fonctionnement du régulateur

0 pour PID simple (chauffe seulement)

1 pour un PID 2 voies

2 mode ON / OFF


Pour l'empâtage, on choisira 0.

P73

Facteur de suppression de dépassement (overshoot).

Alors que les paramètres du PID sont optimisés pour le régime établi autour du point de consigne, ce paramètre permet de réduire le dépassement de la cible pour des changements importants de la valeur de consigne durant lesquels l'intégration de l'erreur prend des valeurs disproportionnées. Augmenter sa valeur pour limiter le dépassement, la réduire si le premier sommet est inférieur à la cible.

Ce paramètre n'influe pas sur le régime établi. Je n'ai pas utilisé ce paramètre.

P76

Bande proportionnelle de chauffe. Valeur par défaut 10.0. C'est la valeur de l'écart pour lequel la consigne proportionnelle est à son maximum (soit 100% de puissance). Plus cette bande est large, moins la correction proportionnelle est forte.

La correction est proportionnelle à l'écart par rapport à la cible.

Avec cette seule correction, il est impossible d'atteindre la valeur de consigne. En effet, le système doit délivrer une puissance P qui compense les pertes thermiques d'où la nécessité d'un écart en régime établi.

La suppression de cette écart dit « erreur statique » nécessite une correction qui dépend de l'intégrale de l'erreur.

P77

Constante de temps de la correction Intégrale. Valeur par défaut 240. Plus cette valeur est élevée moins la correction due à l'intégration de l'écart est forte. Cette correction vise à éliminer l'erreur statique, c.-à.-d. l'erreur qui existerait avec la seule correction proportionnelle pour des pertes thermiques données. Une augmentation de sa valeur ralentit la correction. Une diminution l'accélère jusqu'à provoquer une oscillation autour de la consigne.

Il faut noter que lors de variation importante de la consigne de température, l'intégration de l'erreur conduit à la constitution d'une correction intégrale forte engendrant un dépassement de la consigne. Lors de l'apprentissage (auto-tune) la correction est en effet calculée pour un régime établi.

Le paramètre P73, vu plus haut, est là pour atténuer le phénomène.

P78

Constante de temps dérivée. Valeur par défaut 60. La correction engendrée est proportionnelle à la vitesse de variation de la consigne. Elle est donc maximum lorsque la puissance de chauffe est  à plein régime et nulle en régime stabilisé. Cette correction tend à limiter le dépassement (overshoot) et à ramener rapidement la température à la valeur de consigne.


P80 et P89

Ces deux paramètres combinés définissent la manière dont la puissance est appliquée en particulier lors  de l'ébullition.

Le régulateur alterne des temps de chauffe (SSR passant) et des temps de repos (SSR bloqué, circuit interrompu). La somme des ces deux temps constitue un cycle de chauffe. Ce temps de cycle est défini par P80 (par défaut 2 soit 2 secondes).

Le paramètre P89 définit le pourcentage de ce temps de cycle durant lequel SSR est passant (chauffe).

Ainsi avec la valeur par défaut de P80 à 2 secondes, une valeur de 50 signifie que le régulateur alterne des temps de chauffe de 1 seconde et des temps de repos de 1 seconde.

Note : ce pourcentage de la puissance disponible est appliquée en permanence c.-à-d. même lors des phases de régulation en empâtage. Il importe donc de la régler à 100  d'attendre l'ébullition avant de la modifier.

Apprentissage

Nous effectuons un premier apprentissage dans des conditions voisines des brassins habituels, à savoir :

  • Volume d'eau 20 l
  • Pompe de circulation en marche
  • Température de consigne 67 °C
  • Limitation de puissance à 100 % (P80 =3 et P89=100)
  • température ambiante autour de 18 °C.

Note : le volume d'eau représentatif pour l'apprentissage devrait être le volume de l'eau d'empâtage augmenté de l'équivalent en eau du grain (Masse de grain * 0.41) du point de vue de la capacité calorifique.

Pour démarrer l'apprentissage nous effectuons un appui prolongé sur la touche V jusqu'à ce que l'affichage de la température courante clignote.

Le système commence à fonctionner et le clignotement s'arrêtera de lui-même après que le système aura terminé sa reconnaissance.

Note: le fonctionnement en apprentissage diffère fortement de celui qu'on obtiendra par la suite avec les réglages trouvés. En effet, la reconnaissance du système nécessite des sollicitations particulières de ce dernier.


Les valeurs trouvées sont les suivantes :

Paramètre Valeur Valeur par défaut Intitulé du paramètre
P76 4 10 Bande proportionnelle en chauffage
P77 485 240 Constante de temps de la correction intégrale
P78 97 60 Constante de temps de la correction dérivée

Essais

Nous réalisons une série d'essais avec quelques variations par rapport aux valeurs trouvées lors de l'apprentissage.

  • Volume d'eau 20 l
  • Pompe de circulation en marche
  • Température de consigne 66 °C
  • Limitation de puissance à 100 % (P80 =3 et P89=100)

Voici les résultats :

EssaiCR20-2.png


Sur l'image précédente nous avons figuré la consigne (66 °C) et la zone de tolérance que nous nous fixons, à savoir, + ou - 0.3 °C autour de la consigne.

Nos critères d'appréciation du résultat sont le délai d'atteinte de la zone de tolérance et le maintien à l'intérieur de cette dernière.


La courbe bleue correspond aux valeurs trouvées par l'apprentissage. On constate un dépassement (overshoot) important 1.2 °C et un temps d'environ 20 mn avant de revenir dans la zone de tolérance.

La courbe rouge reprend les valeurs de l'apprentissage à l'exception de la correction intégrale que nous avons atténuée (485 ->550). Cela atténue un peu le dépassement mais à peine et ne fait que retarder un peu plus.

Ces deux courbes paraissent un peu mollassonnes.

La courbe jaune reprend les valeurs de l'apprentissage à l'exception de la correction dérivée qui est doublée (97 ->200). On voit nettement l'effet atténuateur mais aussi retardateur.

La courbe verte reprend les valeurs de l'apprentissage à l'exception de la correction intégrale qui est supprimée (valeur 0). On constate un effet très atténué et retardé ainsi qu'une erreur statique permanente (-0.5 °C). Compte tenu d'une bande proportionnelle à 4 °C, cela signifie que nous avons besoin d'une puissance de Pmax /8 = 2400/8=300 watts pour compenser les pertes thermiques.

La courbe marron, qui correspond à nos critères d'appréciation, est obtenu en prenant le taureau par les cornes et en diminuant drastiquement la bande proportionnelle (4 °C ->0.6 °C). La correction intégrale étant elle aussi fortement atténuée (485 -> 750).

Conclusion

Il semble que l'apprentissage privilégie l'obtention d'une erreur statique quasi nulle. Malheureusement cela se fait au détriment du temps de réponse et avec des dépassements de l'ordre de 1.1 °C pour des durées non négligeables.

L'expérience montre qu'il vaut mieux se contenter d'une erreur statique minime et d'opter pour un raidissement significatif de la réponse proportionnelle. Par ailleurs, l'atteinte de la cible par le bas sans décroissance ultérieure de la mesure parait plus compatible avec les exigences du brassage.