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Régulation

Boucles ouverte/fermée, modes d'action tout-ou-rien et proportionnel

🏗️ Application chantier : Un générateur de chauffage, un détendeur, un pressostat : tous les modules déjà étudiés font intervenir, sans toujours le nommer, un principe commun de régulation. Ce module fait la synthèse : comment une installation « sait »-elle s'adapter automatiquement aux conditions, et selon quelle logique — tout ou rien, ou progressive ?
Réguler, c'est faire en sorte qu'une grandeur physique (température, pression, débit...) reste proche d'une consigne, malgré des perturbations extérieures. Ce module formalise un principe déjà croisé dans plusieurs modules précédents, sans être nommé comme tel : le générateur et l'émetteur de chauffage (B1-1, B1-2), la surchauffe pilotée par le détendeur (B5-3, B5-4), le taux de marche d'un compresseur (B5-7), ou encore les seuils d'un pressostat de sécurité (B5-9).

Deux architectures de principe existent : la boucle ouverte, où l'action produite ne dépend pas du résultat obtenu (pas de mesure de retour), et la boucle fermée, où la grandeur réglée est mesurée en continu et renvoyée vers le régulateur pour corriger l'action en fonction de l'écart constaté. La quasi-totalité des régulations rencontrées en génie climatique fonctionnent en boucle fermée.

Au sein d'une boucle fermée, deux modes d'action principaux structurent la façon dont le régulateur transforme l'écart mesuré en une commande : le mode tout ou rien (TOR), déjà rencontré au module B5-7 via le taux de marche d'un compresseur, et le mode proportionnel, qui module l'action de façon continue plutôt que par à-coups. Deux notions complémentaires, plus qualitatives, complètent ce panorama : l'intermittence (réduire le chauffage hors occupation) et l'optimisation (calculer automatiquement l'instant de relance le plus tardif possible tout en atteignant la consigne à l'heure voulue).

📖 Vocabulaire clé

Boucle ouverte : Régulation dans laquelle l'action produite ne dépend pas d'une mesure de la grandeur réglée : aucune information de retour ne vient corriger la commande (ex : une résistance électrique alimentée à puissance fixe, sans thermostat).
Boucle fermée (asservissement) : Régulation dans laquelle la grandeur réglée est mesurée en continu et renvoyée vers le régulateur, qui compare cette mesure à la consigne et ajuste son action en conséquence. C'est le principe de la quasi-totalité des régulations en génie climatique.
Écart : Différence entre la consigne visée et la mesure réelle de la grandeur réglée : eˊcart=consigne−mesure\text{écart} = \text{consigne} - \text{mesure}. C'est cet écart que le régulateur cherche à ramener à zéro.
Mode tout ou rien (TOR) : Le régulateur ne connaît que deux états : marche ou arrêt (déjà étudié au module B5-7 à travers le taux de marche d'un compresseur, tONtON+tOFF×100\dfrac{t_{ON}}{t_{ON}+t_{OFF}} \times 100). Simple et peu coûteux, mais générateur de cycles marche/arrêt.
Mode proportionnel : Le régulateur produit une action proportionnelle à l'écart mesuré, via un gain KpK_p lié à la bande proportionnelle BPBP (%) par Kp=100/BPK_p = 100/BP : action=Kp×eˊcart\text{action} = K_p \times \text{écart}. Plus BPBP est faible, plus le gain est élevé et la régulation réactive.
Intermittence : Réduction volontaire du chauffage (ou du rafraîchissement) pendant les périodes d'inoccupation d'un local, avant une relance programmée avant le retour des occupants.
Optimisation (relance optimisée) : Calcul automatique, par le régulateur, de l'instant de relance le plus tardif possible permettant néanmoins d'atteindre la consigne de confort à l'heure d'occupation prévue — en tenant compte de l'inertie du bâtiment et des conditions extérieures.

📋 Calculer l'action d'un régulateur proportionnel

  1. 1 Identifier la bande proportionnelle BPBP (%) réglée sur le régulateur : c'est la plage de variation de la grandeur réglée qui fait passer l'action de 00 à 100%100\%.
  2. 2 Calculer le gain du régulateur : Kp=100/BPK_p = 100/BP.
  3. 3 Mesurer l'écart entre la consigne et la mesure réelle : eˊcart=consigne−mesure\text{écart} = \text{consigne} - \text{mesure}.
  4. 4 Calculer l'action produite : action=Kp×eˊcart\text{action} = K_p \times \text{écart}, exprimée en %.
  5. 5 Interpréter : une bande proportionnelle étroite (gain élevé) rend la régulation très réactive au moindre écart, au risque d'instabilité ; une bande large (gain faible) est plus stable mais tolère un écart résiduel plus important en régime établi.

✅ Exemple résolu

Énoncé : Un régulateur de température de départ de chauffage a une bande proportionnelle BP=20%BP=20\%. La consigne est de 60 °C60\,°C, la mesure réelle est de 58 °C58\,°C.

Calculer le gain KpK_p du régulateur, l'écart, puis l'action produite (en %).
Démarche :
  1. Gain du régulateur : Kp=100/BP=100/20=5K_p = 100/BP = 100/20 = 5.
  2. Écart : eˊcart=consigne−mesure=60−58=2 °C\text{écart} = \text{consigne} - \text{mesure} = 60 - 58 = 2\,°C.
  3. Action produite : action=Kp×eˊcart=5×2=10%\text{action} = K_p \times \text{écart} = 5 \times 2 = 10\%.
Réponse : Le régulateur commande son organe de réglage (vanne mélangeuse, brûleur modulant...) à 10%10\% de son ouverture maximale : une action progressive, bien différente d'un tout ou rien qui basculerait brutalement entre 0%0\% et 100%100\%.

🌡️ Relations clés

eˊcart=consigne−mesure\text{écart} = \text{consigne} - \text{mesure} (écart de régulation)
Kp=100BPK_p = \dfrac{100}{BP} (gain du régulateur proportionnel, à partir de la bande proportionnelle BPBP en %)
action=Kp×eˊcart\text{action} = K_p \times \text{écart} (action produite par un régulateur proportionnel, en %)
Taux de marche=tONtON+tOFF×100\text{Taux de marche} = \dfrac{t_{ON}}{t_{ON}+t_{OFF}} \times 100 (rappel B5-7, mode tout ou rien)

🎨 Illustration

Boucle de régulation fermée
La mesure de sortie corrige en continu l'action d'entrée

Le régulateur compare en permanence la consigne à la mesure remontée par le capteur en sortie de procédé, et ajuste son action sur l'actionneur en conséquence : c'est la boucle fermée, qui referme le trajet de l'information sur elle-même.

Boucle de regulation fermee a trois boites Schema de trois boites alignees horizontalement : regulateur a gauche, actionneur au centre, procede a droite. Une fleche de consigne entre par le haut dans le regulateur. Une ligne de mesure part de la sortie du procede et revient vers le regulateur en formant une boucle fermee en bas du schema, portant le texte ecart egale consigne moins mesure. Régulateur Actionneur Procédé Consigne Mesure (capteur en sortie de procédé) écart = consigne − mesure
  • 1 La consigne entre dans le régulateur, qui pilote l'actionneur agissant sur le procédé.
  • 2 La grandeur réglée en sortie de procédé est mesurée puis renvoyée vers le régulateur : c'est cette boucle de retour qui fait la différence entre boucle ouverte et boucle fermée.
  • 3 Le régulateur recalcule en permanence l'écart (consigne − mesure) pour ajuster son action, en tout ou rien ou en proportionnel selon le mode choisi.
Ce qu'il faut lire : Suis la chaîne directe de gauche à droite (régulateur → actionneur → procédé), puis remonte la boucle de retour du bas qui ramène la mesure vers le régulateur : c'est cette boucle qui referme le système et le rend « fermé ».
Boucle de régulation fermée : la mesure de sortie vient corriger en continu l'action d'entrée, quel que soit le mode d'action choisi (TOR ou proportionnel).

❌ Une erreur, une suggestion

❌ L'erreur fréquente

Ne pas confondre la bande proportionnelle BPBP (qui définit le gain d'un régulateur en fonctionnement normal, Kp=100/BPK_p=100/BP) avec la bande morte d'une régulation tout ou rien (qui évite des cycles marche/arrêt trop rapprochés, déjà vue au module B5-7) : la première pilote une action continue, la seconde ne concerne qu'un fonctionnement à deux états.

✅ La suggestion

Attention aussi à ne pas croire qu'un mode proportionnel supprime totalement l'écart : contrairement à un mode intégral (hors programme ici), un régulateur proportionnel pur laisse toujours subsister un écart résiduel en régime établi, d'autant plus faible que le gain KpK_p est élevé (donc BPBP faible).

💡 À retenir

  • La boucle ouverte ne mesure pas le résultat obtenu ; la boucle fermée mesure la grandeur réglée et corrige l'action en fonction de l'écart — c'est le principe de la quasi-totalité des régulations en génie climatique.
  • Le mode tout ou rien (TOR) (rappel B5-7) ne connaît que deux états, caractérisé par son taux de marche.
  • Le mode proportionnel module l'action en continu : Kp=100/BPK_p = 100/BP, puis action=Kp×eˊcart\text{action} = K_p \times \text{écart}.
  • L'intermittence réduit le chauffage hors occupation ; l'optimisation calcule l'instant de relance le plus tardif compatible avec le confort à l'heure d'occupation.
  • Ce module est une synthèse : il formalise des principes déjà rencontrés dans les modules de production (B1-1, B1-2) et de froid (B5-3, B5-4, B5-7, B5-9).

🏗️ Application chantier

Où retrouve-t-on ce principe sur une installation réelle ?
Un générateur de chauffage, un détendeur, un pressostat : tous les modules déjà étudiés font intervenir, sans toujours le nommer, un principe commun de régulation. Ce module fait la synthèse : comment une installation « sait »-elle s'adapter automatiquement aux conditions, et selon quelle logique — tout ou rien, ou progressive ?

Mots-clés associés : Boucle ouverteBoucle ferméeTout-ou-rienAction proportionnelleBande proportionnelleIntermittence
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