Valve hydraulique proportionnelle et PID

Les valves hydrauliques proportionnelles permettent de contrôler précisément le débit, la pression ou la position d'un récepteur hydraulique. Pour garantir la stabilité et la précision du système, elles sont souvent associées à un régulateur PID capable d'ajuster automatiquement le signal de commande en fonction d'une consigne et d'une mesure réelle. Cette fiche explique le fonctionnement d'une valve proportionnelle hydraulique et le rôle du régulateur PID dans les systèmes asservis.

L’utilisation des valves de régulation proportionnelles permet de répondre aux applications hydrauliques les plus exigeantes. Les commandes proportionnelles apportent souplesse et précision par rapport aux commandes TOR (Tout Ou Rien).

Choisir des valves à commande proportionnelle permet de maîtriser des accélérations et décélérations. Ce choix donne accès à une large palette de réglage (valves de pression ou débit)

Les composants proportionnels comportent des organes coulissants à très faible jeu avec des bords vifs. Une attention particulière doit être portée sur la pollution de l'huile. Une filtration efficace doit être mise en place sur la pression en plus de la filtration retour déjà présente dans les systèmes hydrauliques TOR (Tout Ou Rien).

Retrouvez notre fiche sur l'installation des filtres hydrauliques dans un circuit.

Retrouvez notre fiche sur les classes de pollution hydraulique selon la norme ISO 4406.

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Dans un système proportionnel en boucle ouverte, il n’y a pas de contrôle de l’actionneur.

Le système proportionnel peut servir à contrôler la position, la vitesse ou la force d’un récepteur.

Une consigne électrique pilote une carte électronique. La carte électronique transforme la consigne en signal de commande.

Retrouvez notre fiche sur l'hydraulique proportionnelle en boucle ouverte et boucle fermée

Dans un système proportionnel en boucle fermée, un capteur permet de contrôler l’actionneur.

Le capteur peut contrôler la position, la vitesse, la force ou la pression.

Une consigne électrique pilote une carte électronique. La carte électronique transforme la consigne en signal de commande. Le capteur contrôle l’actionneur. La carte électronique possède un régulateur appelé PID. La carte électronique contrôle l’écart entre la consigne et la mesure et ajuste le signal de commande.

Le régulateur PID est une carte électronique qui permet de faire des calculs mathématiques sur des signaux afin d’ajuster le signal de commande à la consigne demandée.

La carte électronique fait la différence entre la consigne et la mesure réalisée par le capteur.

Le signal d’erreur rentre dans un correcteur qui le transforme en signal de sortie.

Plusieurs types de correcteurs sont possibles :

Le signal d’erreur est multiplié par un coefficient. La valeur du signal de commande est proportionnelle à l’écart entre la consigne et la mesure du capteur.

On constate que l’augmentation du gain accélère le temps de réponse à l’échelon. (Consigne)

Un gain trop élevé provoquera un dépassement important de la consigne (Over shoot) et augmentera le temps de stabilisation.

Par exemple nous pouvons faire la comparaison avec un véhicule. La voiture est à l’arrêt et le chauffeur souhaite rouler à 100 Km/h. Il faut appuyer fortement sur la pédale d’accélérateur pour atteindre le plus rapidement les 100 km/h.

Retrouver notre fiche sur lefonctionnement d'une valve hydraulique proportionnelle : gain et recouvrement.

Le signal de sortie est proportionnel à l’intégrale du signal d’erreur.

En régime stabilisé, un système en boucle fermée peut présenter des erreurs à cause des forces externes qui changent par exemple ou des commandes imprécises.

Le correcteur intégral permet d’éliminer ces erreurs.

Par exemple nous pouvons faire la comparaison avec un véhicule. La voiture est à l’arrêt et le chauffeur souhaite rouler à 100 Km/h. Il faut appuyer fortement sur la pédale d’accélérateur pour atteindre le plus rapidement les 100 km/h. Si l’accélération est rapide, il est possible que la vitesse dépasse les 100 Km/h. Le chauffeur qui s’en aperçoit relâche la pédale d’accélérateur pour ajuster la vitesse qui risque de descendre en dessous des 100 Km/h. Le correcteur intégral permet d’éliminer cet effet « yoyo »

C’est la variation de l’erreur.

Le signal de sortie est proportionnel à la dérivée de l’erreur.

En régime stabilisé, un système en boucle fermée peut présenter des variations importantes.

Si l’erreur évolue rapidement, la dérivée est importante.

Si l’erreur évolue lentement, la dérivée est faible.

Si l’erreur est constante, la dérivée est nulle.

Par exemple nous pouvons faire la comparaison avec un véhicule circulant à 100 Km/h. Lorsque la voiture entame une côte, la vitesse du véhicule diminue fortement et brutalement. Il y a une grande dérive entre la consigne et la mesure (vitesse). Il faut corriger la consigne en appuyant plus fortement sur l’accélérateur.

Le système se règle en production.

1. Mettre la valeur Intégrale (I) et Dérivée (D) à zéro.
2. Augmenter le gain proportionnel (P) jusqu’à ce que la sortie oscille.
3. Augmenter le gain de l’Intégrale jusqu’à stabiliser l’oscillation.

Ajuster le gain de la Dérivée pour que le système soit stable lorsque l’erreur évolue.

Définition :

La rigidité hydraulique représente la capacité d'un circuit hydraulique à résister à une variation de volume sous l'effet de la pression. Plus un système est rigide, plus la réponse du vérin ou du moteur hydraulique sera rapide et précise.

La rigidité d'un circuit dépend principalement :

• de la compressibilité de l'huile ;
• du volume d'huile emprisonné dans le circuit ;
• de l'élasticité des flexibles ;
• de la présence éventuelle d'air dissous ou emprisonné.

Une faible rigidité hydraulique peut provoquer :

• des oscillations ;
• un manque de précision ;
• des temps de réponse plus longs ;
• une instabilité de la régulation PID.

Dans les systèmes hydrauliques proportionnels et servo-hydrauliques, la rigidité hydraulique constitue un paramètre essentiel pour obtenir un asservissement stable et performant. Plus la rigidité est élevée, plus le régulateur PID pourra corriger rapidement les écarts entre la consigne et la valeur réelle sans générer d'oscillations.

Malgré que l’on admette souvent que les fluides sont incompressibles, dans les faits et sous des pressions élevées, l’huile hydraulique est relativement élastique.

Lorsque la charge et la vitesse d’un récepteur sont importantes, le manque de rigidité peut limiter les performances de l’ensemble du système hydraulique.

Les accélérations et décélérations rapides des charges peuvent engendrer des pics de pressions. Si le système hydraulique n’est pas assez rigide, cela provoquera des perturbations au niveau de la charge.

Un vérin avec des dimensions importantes par rapport à la charge à déplacer, le distributeur placé au plus près du récepteur et une tuyauterie rigide favorisent une bonne rigidité.

Ch= (E*Sp²) / (Vsp + Vl1) + (E*Sa²) / (Vsa + Vl2)

Ch : Rigidité hydraulique en N/m

E : Module d’élasticité du fluide hydraulique (1.4*107 Kg/cm.s²)

Sp : Surface piston en cm²

Sa : Surface annulaire en cm²

Vsp : Volume chambre piston en cm3

Vsa : Volume chambre annulaire en cm3

Vl1 : Volume tuyauterie côté chambre piston en cm3

Vl2 : Volume tuyauterie côté chambre annulaire en cm3

Définition

La fréquence propre correspond à la vitesse naturelle à laquelle un système hydraulique a tendance à osciller lorsqu'il est soumis à une perturbation. Elle dépend notamment de la rigidité hydraulique, de la masse déplacée et des caractéristiques des composants du circuit.

Dans un système équipé d'une valve hydraulique proportionnelle et d'un régulateur PID, la fréquence propre influence directement la stabilité et la rapidité de réponse de l'installation.

Une fréquence propre faible entraîne généralement :

• une réponse plus lente ;
• une sensibilité accrue aux oscillations ;
• des performances de régulation limitées.

À l'inverse, une fréquence propre élevée permet :

• des mouvements plus dynamiques ;
• une meilleure précision ;
• une correction plus rapide des écarts par le régulateur PID.

Lors du réglage d'un asservissement hydraulique, il est important que les paramètres du PID soient adaptés à la fréquence propre du système. Un gain trop élevé peut exciter cette fréquence naturelle et provoquer des oscillations ou une instabilité du circuit.

À retenir :

La fréquence propre représente la limite dynamique naturelle du système hydraulique. Plus elle est élevée, plus il est possible d'obtenir une régulation rapide et précise.

On peut comparer la fréquence propre d’un système composé de la charge et du récepteur à un système mécanique monté sur ressort.

Avec un choc, une certaine vitesse, une inertie, le système peut se mettre à osciller.

La fréquence propre d’un système est la fréquence à laquelle il se met à osciller naturellement sans aucune force excitatrice ou dissipative extérieure.

Tout système mécanique peut osciller à une fréquence comprise généralement entre 0.1 à 100 Hz.

Les frottements mécaniques sont des excitateurs, les fuites joueront le rôle d’amortisseur (dissipateur)

Il est important de déterminer la fréquence propre d’un système afin de la commander correctement et d’éviter le risque de résonance.

Fp= 1 / 2π √ (Ch/M)

Fp : Fréquence propre en Hz

Ch : Rigidité hydraulique en N/m

M : Masse en Kg

Fp= (N * Nb) / 60

Fp : Fréquence propre en Hz

N : Vitesse de rotation en tr/min

Nb : Nombre de piston

Pour éviter l’instabilité du système, il est conseillé de prendre un coefficient de 10. Par exemple pour une fréquence propre d’un système à 30Hz, on choisira une valve avec une fréquence de 300Hz.

Méthodologie :

• Mesurer la consigne d’entrée.

• Mesurer le courant traversant la bobine.

• Mesurer la tension de recopie du capteur LVDT.

Selon les résultats :

• Vérifier l’alimentation électrique de la carte.

• Vérifier le fusible.

• Vérifier les connections.

• Vérifier la valeur ohmique de la bobine.

• Vérifier la validation de la carte.

• Vérifier la commande (automate, potentiomètre…)

Dans certain cas, la valve proportionnelle peut être équipée d’une commande manuelle de secours qui permet de lever le doute.

Dans le cas d’une boucle fermée, tester le système en boucle ouverte. Si la boucle ne peut être ouverte, un boitier électronique de test peut s’avérer très utile.

Pour comprendre le circuit hydraulique :

Fonctionnement du régulateur de débit 3 voies

Fonctionnement pompe à pistons Load Sensing

Pour former vos équipes :

Formation dépannage hydraulique

Formation électricité industrielle

Ces supports sont les mêmes que ceux utilisés lors de nos formations sur site, avec une approche orientée compréhension, réglage et diagnostic réel.

Ils permettent aux techniciens de retrouver rapidement les informations essentielles lors des interventions.