← Tous les calculateurs
Beedy Academy · Calculateurs

Calculateurs d'instrumentation et de régulation PID

Signaux 4–20 mA, débit et niveau par ΔP, sondes Pt100, vannes de régulation et réglage PID : 18 calculs avec formule et exercices.

Signaux et mesure

Signal 4–20 mA → valeur mesurée

Formule% = (I − 4) ÷ 16 × 100  ·  PV = LRV + % ÷ 100 × (URV − LRV)
mA
Pourcentage de l'échelle—%
Valeur mesurée (PV)—

PV est dans les mêmes unités que LRV et URV. Sous 3,8 mA ou au-dessus de 20,5 mA, le signal sort de l'échelle ; sous 3,6 mA ou au-dessus de 21 mA, c'est un signal de défaut (NAMUR NE 43).

Valeur mesurée → signal 4–20 mA

Formule% = (PV − LRV) ÷ (URV − LRV) × 100  ·  I = 4 + 16 × % ÷ 100
Pourcentage de l'échelle—%
Signal attendu (I)—mA

Pratique pour vérifier un transmetteur ou simuler une valeur au calibrateur : injecter ce courant et comparer à l'affichage du système de commande.

Débit par pression différentielle (racine carrée)

FormuleQ = Qmax × √(ΔP ÷ ΔPmax)  ·  I = 4 + 16 × ΔP ÷ ΔPmax
kPa
m³/h
kPa
Débit (Q)—m³/h
Débit en % de l'échelle—%
Signal sans extraction (linéaire en ΔP)—mA
Signal avec extraction de racine—mA

Extraire la racine une seule fois : au transmetteur ou au système de commande, jamais aux deux. Sous 5 à 10 % du débit, la mesure est instable ; on utilise une coupure de bas débit.

Niveau par pression différentielle

Formuleh = (ΔP − ΔP₀) ÷ (ρ × g)  ·  URV = ΔP₀ + ρ × g × hmax
kPa
kg/m³
kPa
m
Niveau au-dessus de la prise basse (h)—m
Pourcentage de l'échelle—%
URV à régler au transmetteur—kPa

ΔP₀ positif : suppression du zéro (transmetteur sous la prise basse) ; négatif : élévation du zéro (jambe humide côté basse pression). L'échelle va de ΔP₀ (LRV) à l'URV calculée. g = 9,80665 m/s².

Sonde Pt100 / Pt1000 : résistance ↔ température

FormuleR = R₀ × (1 + A × T + B × T²)  ·  A = 3,9083×10⁻³  ·  B = −5,775×10⁻⁷  (IEC 60751, T ≥ 0 °C)
°C
Ω
Résistance à la température T—Ω
Température pour la résistance R—°C

Coefficients de la norme CEI 60751 (α = 0,00385), valides de 0 à 850 °C. Sous 0 °C, un terme C s'ajoute : utiliser la table de la norme. Mesurer en 3 ou 4 fils pour annuler les fils de raccordement.

Précision d'un instrument : % de l'échelle ou % de la lecture

Formulees = as ÷ 100 × (URV − LRV)  ·  er = ar ÷ 100 × PV
%
%
Erreur possible, spéc. en % de l'échelle (±)—
Même erreur en % de la lecture (±)—%
Erreur possible, spéc. en % de la lecture (±)—

Une précision en % de l'échelle pèse lourd en bas d'échelle : à 10 % de l'échelle, ±0,25 % de l'échelle devient ±2,5 % de la lecture. Choisir une échelle proche de la plage de service.

Débit et vannes de régulation

Coefficient de vanne Cv / Kv (liquide)

FormuleKv = Q × √(SG ÷ ΔP)  ·  Cv = Kv ÷ 0,865
m³/h
bar
Kv requis—m³/h
Cv requis—
Débit (Q)—gal US/min

CEI 60534-2-1 : liquide en écoulement turbulent, sans vaporisation ni cavitation, sans raccords réducteurs (Fp = 1). Choisir une vanne qui travaille entre 20 et 80 % d'ouverture.

Conversion Kv ↔ Cv

FormuleCv = Kv ÷ 0,865  ·  Kv = 0,865 × Cv
m³/h
Cv équivalent au Kv—
Kv équivalent au Cv—m³/h

Kv : débit d'eau en m³/h sous 1 bar de ΔP. Cv : débit d'eau en gallons US par minute sous 1 psi de ΔP. Les fiches de vannes nord-américaines donnent surtout le Cv.

Débit d'une vanne à une nouvelle ΔP

FormuleQ = 0,865 × Cv × √(ΔP ÷ SG)  ·  Q₂ ÷ Q₁ = √(ΔP₂ ÷ ΔP₁)
bar
bar
Débit à ΔP₁ (Q₁)—m³/h
Débit à ΔP₂ (Q₂)—m³/h
Q₂ en % de Q₁—%

Même ouverture de vanne. En service, la ΔP de la vanne baisse quand le débit monte (courbe de la pompe, pertes de la conduite) : c'est pourquoi la caractéristique installée diffère de la caractéristique propre de la vanne.

Organe déprimogène : débit à une nouvelle ΔP

FormuleQ₂ = Q₁ × √(ΔP₂ ÷ ΔP₁) × √(ρ₁ ÷ ρ₂)
m³/h
kPa
kPa
kg/m³
kg/m³
Nouveau débit (Q₂)—m³/h
Variation du débit—%

Même plaque, même coefficient de décharge (nombre de Reynolds assez élevé). Débit volumique. Si la masse volumique réelle diffère de celle du calcul de la plaque, le débit affiché est faux du facteur √(ρ₁/ρ₂).

Réglage PID

Ziegler–Nichols en boucle fermée (Ku, Pu)

FormuleP: Kc = 0,5 Ku  ·  PI: Kc = 0,45 Ku, Ti = Pu ÷ 1,2  ·  PID: Kc = 0,6 Ku, Ti = Pu ÷ 2, Td = Pu ÷ 8
min
Gain du régulateur (Kc) — P seul—
Gain du régulateur (Kc) — PI—
Temps d'intégrale (Ti) — PI—min
Gain du régulateur (Kc) — PID—
Temps d'intégrale (Ti) — PID—min
Temps de dérivée (Td) — PID—min

Ku : gain qui donne une oscillation entretenue en P seul ; Pu : période de cette oscillation. Réglage vif (amortissement ~1/4) : partir de ces valeurs et réduire Kc si la boucle oscille. Kc en gain, pas en bande proportionnelle.

Ziegler–Nichols en boucle ouverte (courbe de réaction)

FormulePI: Kc = 0,9 τ ÷ (Kp θ), Ti = θ ÷ 0,3  ·  PID: Kc = 1,2 τ ÷ (Kp θ), Ti = 2 θ, Td = 0,5 θ
%/%
min
min
Gain du régulateur (Kc) — PI—
Temps d'intégrale (Ti) — PI—min
Gain du régulateur (Kc) — PID—
Temps d'intégrale (Ti) — PID—min
Temps de dérivée (Td) — PID—min

En manuel, faire un échelon de sortie (5 à 10 %) ; lire Kp = ΔPV % ÷ ΔOP %, le temps mort θ et la constante de temps τ (63 % de la réponse). Valable pour 0,1 ≤ θ/τ ≤ 1 environ.

Cohen–Coon (PI et PID)

Formuler = θ ÷ τ  ·  PI: Kc = τ ÷ (Kp θ) × (0,9 + r ÷ 12), Ti = θ (30 + 3r) ÷ (9 + 20r)  ·  PID: Kc = τ ÷ (Kp θ) × (4/3 + r ÷ 4), Ti = θ (32 + 6r) ÷ (13 + 8r), Td = 4θ ÷ (11 + 2r)
%/%
min
min
Gain du régulateur (Kc) — PI—
Temps d'intégrale (Ti) — PI—min
Gain du régulateur (Kc) — PID—
Temps d'intégrale (Ti) — PID—min
Temps de dérivée (Td) — PID—min

Mêmes essais que la courbe de réaction. Cohen–Coon tient mieux compte d'un temps mort important, mais reste vif : sur une boucle réelle, réduire souvent Kc de 25 à 50 %.

Réglage lambda (IMC), procédé autorégulant

FormuleKc = τ ÷ (Kp × (λ + θ))  ·  Ti = τ
%/%
min
min
min
Gain du régulateur (Kc)—
Temps d'intégrale (Ti)—min
Bande proportionnelle (BP)—%

Régulateur PI de forme standard (ISA). λ de 1 à 3 × τ donne une boucle douce et robuste (garder λ ≥ θ). Plus λ est grand, plus la boucle est lente et tolérante aux erreurs de modèle.

Paramètres de boucle

Gain ↔ bande proportionnelle

FormuleBP = 100 ÷ Kc  ·  Kc = 100 ÷ BP
%
Bande proportionnelle équivalente au gain—%
Gain équivalent à la bande—

BP = plage d'erreur, en % de l'échelle, qui fait varier la sortie de 100 %. Grand gain = petite BP. Vérifier quel terme utilise le système de commande avant de saisir un réglage.

Action intégrale : min/répétition ↔ répétitions/min

Formulerépét./min = 1 ÷ Ti  ·  Ti (s) = 60 × Ti  ·  Ki = Kc ÷ Ti
min/répét.
Action intégrale—répét./min
Temps d'intégrale en secondes—s
Gain intégral (Ki)—min⁻¹

Certains régulateurs règlent l'intégrale en min/répétition (Ti) : une valeur plus grande ralentit l'intégrale. D'autres en répétitions/min (1/Ti) : une valeur plus grande l'accélère. Ne jamais recopier le chiffre sans convertir.

Écart permanent en action P seule

Formuleess = ΔSP ÷ (1 + Kc × Kp)
%
%/%
Écart permanent (ess)—%
Part du changement réellement atteinte—%

Procédé autorégulant, ΔSP en % de l'échelle. Augmenter Kc réduit l'écart mais rapproche de l'instabilité ; l'action intégrale l'élimine. Une perturbation de charge laisse aussi un écart en P seul.

Filtre du premier ordre : réponse après t

Formuley = y₀ + (y₁ − y₀) × (1 − e−t/τ)  ·  t₉₈ = τ × ln 50
s
s
Part de l'échelon atteinte—%
Valeur filtrée à t—
Temps pour atteindre 98 %—s

Un filtre lisse le bruit mais ajoute du retard à la boucle : garder τ du filtre bien sous la constante de temps du procédé (souvent moins de 1/10). Même réponse pour une sonde en doigt de gant.

Outils d'apprentissage et de vérification. Les plages indiquées sont des repères généraux : suivez toujours les procédures, les permis et les consignes de votre usine. Rien n'est envoyé : les calculs se font dans votre navigateur.