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F orumJACQUES RICHALET - CONSULTANT« La commandeest en train de g▼Nous saisissons l’occasion de la sortie d’un livre sur la commande prédictive pourfaire le point sur les avancées de cette technique de régulation. Celle-ci a désormaislargement fait ses preuves, au point d’être banalisée dans certaines industries.Les principales difficultés restent la création du modèle du processus à piloteret les lacunes du système éducatif. Jacques Richalet* insiste également sur lefait que le contrôle avancé doit être considéré comme étant une techniquecomme une autre et qu’il doit vivre avec les évolutions de l’environnement de production.Crédit photo :Antoine PicardAprès avoir été longtemps le chantre de la commande prédictive à l’Adersa,Jacques Richalet est aujourd’huiconsultant en commande prédictive dans l’industrie (Degussa,Arcelor) et en formation (Ira).(Jacques.Richalet@wanadoo.fr)28Mesures. Quelles sont les perspectives destechniques de contrôle de processus?Jacques Richalet. Elles sont gigantesques!Le bon vieux PID aura toujours sa place pourtraiter les problèmes simples. Mais les techniquesde régulation basées sur un modèledu processus (notamment la commande prédictive)sont maintenant parfaitement maîtrisées,opérationnelles et à la portée de toutesles industries. En pétrochimie, on a franchidepuis longtemps le cap des 10000 régulateursà commande prédictive. La techniqueest couramment mise en pratique dans lesindustries qui se fondent sur l’échange thermiquecomme procédé de base. La chimie yvient à son tour. Le mouvement a été lent àse dessiner mais il est désormais ancré enprofondeur, inexorable.La modélisation est “la” voie de l’avenir del’automatique. Regardez le dernier avion d’affairesque vient de présenter Dassault :ildémontre avec éclat les vertus de la modélisation.L’avionneur est passé directement dela CAO à la réalisation, sans passer par le prototype…A plus long terme, l’avenir de notre discipline,c’est la Conception Généralisée c’està-direla conception qui prend en compte àla fois le processus (les équipements) et lacommande. En clair, la commande va permettrede simplifier la conception des équipements.L’Automatique va adopter unedémarche mise en œuvre depuis longtempsdans l’aviation militaire : les avions de chassesont instables par nature et c’est la commandequi permet de les rendre stables. Lesperformances obtenues, notamment les performancesstatiques, sont bien meilleures…Dans l’univers industriel, un projet deConception Généralisée est en cours sur unréacteur chimique. On a imaginé une commandequi permettrait de travailler avec desréacteurs plus simples, avec moins de tôle,de tuyaux… et moins chers.Avec au bout, unMESURES 773 - MARS 2005 - www.mesures.com

Forumensemble qui fonctionnerait de façon plusefficace que les réacteurs actuels. Ce travailest actuellement mené à l’Institut de Régulationd’Arles (IRA), en coopération avec des industrielsétrangers (allemands, japonais).Vousle voyez, l’automatique a de très beaux joursdevant elle…Mesures. Revenons au présent. Quelles raisonspeuvent expliquer le succès de l’automatiqueavancée, et plus particulièrementde la commande prédictive?Mesures. Est-ce que les outils de contrôleavancé sont devenus plus accessibles.Jacques Richalet. J’y venais, justement. Parcec’est peut-être là que réside la principaleexplication du succès du contrôle avancé. Cesdernières années, il y a eu des évolutions trèsintéressantes. Par exemple, tous les API (automatesprogrammables industriels) et lesSNCC (Systèmes Numériques de ContrôleCommande) offrent une programmation parbloc et il est devenu vraiment très simple deprogrammer de la commande prédictive.C’est un progrès très important car pendantlongtemps, les instrumentistes hésitaient àaller vers la commande prédictive à cause dela difficulté de la programmation.Certains API et SNCC offrent des blocs defonction spécialisés dans la commande prédictive.Pour les autres, ces blocs de fonctionMesures. Pendant longtemps, le contrôleavancé a été handicapé par la multiplicitédes techniques (logique floue, réseauxneuronaux, commande prédictive, etc.),souvent peu matures, et l’industriel avaitun peu de mal à faire la part des choses.Comment peut-il surmonter cet inconvénient?Jacques Richalet. Mais ce n’est pas un inconvénient!Il y a une très grande variété de processusindustriels. Dans aucune disciplinetechnique, il n’existe un outil qui a réponseà tout. C’est le cas en régulation industrielleet il faut se réjouir qu’il existe aussi une grandevariété d’outils. Il faut choisir l’outil lemieux adapté au problème et le spécialistedoit être capable de faire le bon choix. Malgréla passion que chacun déploie pourdéfendre sa technique, les techniques ne sontpas réellement en compétition et le professionneldoit avoir suffisamment de recul pourprédictiveagner la partie… »Jacques Richalet. Elles sont nombreuses.Toutd’abord, il y a les attentes du monde industriel.Le contrôle avancé sert à résoudre desproblèmes techniques que les techniques traditionnelles(PID) ne permettent pas derésoudre. Et il ne faut pas chercher loin pourtrouver de tels cas : un système intégrateuravec un retard pur important, chacun saitque le PID n’aime pas ça! Le contrôle avancéexcelle aussi dans les applications difficilescomme par exemple certaines régulationscascade ou des régulations imposantbeaucoup de contraintes, des non-linéaritésimportantes, des systèmes instables, etc.D’autre part, le monde industriel devient deplus en plus exigeant et cherche des solutionspour diminuer la dispersion des processus,avec toutes les conséquences qui endécoulent en termes de consommationd’énergie (Kyoto…), de rebuts, déclassementde la production, qualité, etc. Les industriesde production de masse (pétrochimie, sidérurgie)sont depuis longtemps sensibles àces aspects et ceci les a poussés à faire appelau contrôle avancé.sont relativement simples à créer. Cette simplicitéde la programmation facilite la diffusionde la technique.J’ajouterai enfin que la commande prédictiveest utilisable sur un très grand nombre deprocessus : des régulateurs prédictifs avec destemps de cycle de 60 µs à 1 heure sontactuellement en fonctionnement dans l’industrie.Il n’y a pas de limites…La commande prédictiven’en éliminer aucune a priori, ne pas avoir departi pris et choisir celle qui convient lemieux pour traiter le problème. Par exemple,il lui faut éviter de monter une “usine à gaz”en accumulant des boucles PID sophistiquéesalors qu’une commande avec modèle donnerasatisfaction plus simplement et plus efficacement.Cela dit, c’est vrai que parmi toutes les techniquesde contrôle avancé en lice à uneépoque, la commande prédictive s’est largementimposée…Mesures.Venons-en à la commande prédictive,justement. Son gros handicap estqu’il faille créer un modèle du processus…Jacques Richalet. Vous parlez de handicap,mais en fait, c’est l’utilisation du modèle quifait la force de la commande prédictive. CelaLa commande prédictive est devenue la technique reine du contrôle avancé.Elle repose sur l’existence d’un modèle du processus à piloter. Grâce à ce modèleet aux prises de mesure faites sur le processus, le régulateur prédictif sait parfaitementà tout instant dans quel état se trouve le processus et comment il vaévoluer en fonction de la commande appliquée. C’est ce qui lui vaut son nomde régulateur à “commande prédictive”. Le régulateur anticipe l’évolution duprocessus et anticipe la commande afin de maintenir le processus dans un étatprédéfini en fonction des besoins (consignes) de l’application.MESURES 773 - MARS 2005 - www.mesures.com 29

Forumdit, rien n’est gratuit et la création du modèlen’est pas toujours une sinécure.Il faut trouver la structure mathématique dumodèle. Si on la connaît a priori, il faudrafaire des essais sur le processus réel afin detrouver les bonnes valeurs à appliquer auxparamètres du modèle. En fait, plus que lacréation du modèle en tant que tel, la véritabledifficulté se situe au niveau de l’applicationd’un protocole d’essais. Celui-ci peutparfois être la source de conflits. De quois’agit-il? Il faut solliciter le processus, luiappliquer une excitation et enregistrer lessignaux résultants : c’est à partir de cessignaux, qui reflètent le comportement duprocessus, que l’on peut créer le modèle duprocessus.Le producteur industriel est toujours un peuréticent car il craint que les signaux d’excitationne viennent perturber sa production.Il n’a pas tort dans l’absolu mais en pratiqueles choses se font simplement en choisissantbien les signaux. On peut faire des tests enboucle fermée, avec des excitations (des“extra-consigne”) de très faible amplitude, etcela ne perturbe vraiment pas le processus.Mesures. La construction des modèles quevous évoquez est basée sur l’observationdes processus. Mais il y a une deuxièmeapproche, c’est l’approche purementmathématique, qui consiste à écrire leséquations qui décrivent le comportementdu processus…Jacques Richalet. En effet. C’est ce que l’onappelle le modèle de connaissance. Il faut seplonger avec modestie, humilité dans laconnaissance du processus afin de créer unmodèle générique. Ce n’est pas toujours facilemais quand c’est possible, il n’y a pas demeilleure solution. C’est ainsi que nousvenons de créer un modèle de connaissanced’échangeur thermique, en collaborationavec le chimiste allemand Degussa et l’Institutde Régulation d’Arles. En rentrant les cotes géométriquesde l’échangeur et les caractéristiquesdu fluide, il est possible de programmerde façon générique dans l’automate lemodèle mathématique en question. Ici, il n’ya pratiquement pas d’essai à faire, ou alors ils’agit d’un simple essai de validation, trèsélémentaire. Le modèle mathématique, générique,est implanté une fois pour toutes, iln’y a pas à revenir dessus.Le même travail de modélisation a été effectué,avec les mêmes partenaires, pour unréacteur chimique, autre équipement ultrarépandudans les usines. Ici aussi, il n’y a plusqu’à rentrer dans l’automate ou le SNCC lescotes physiques de l’équipement réel et lescaractéristiques des fluides en réaction.Avecde tels modèles génériques, le chimiste quia un grand nombre de réacteurs gagne untemps énorme, les protocoles d’essais (etleurs nuisances éventuelles) sont réduits àleur minimum.Bien entendu, tous les équipements physiquesne peuvent pas être modélisés ainsi.Mais c’est malgré tout une tendance généraleet les industriels auront à l’avenir enbibliothèque des modèles génériques deleurs équipements, qu’il leur suffira de paramétrer.Les fours, les colonnes à distiller etbien d’autres équipements sont en train desuivre la même évolution. On est en train detourner une page…Mesures. Quelles sont les difficultés quihandicapent encore le contrôle avancé engénéral, et la commande prédictive en particulier?Jacques Richalet. Les industriels sontconvaincus de l’intérêt de la commande prédictive,par exemple en terme de retour surinvestissement. La crédibilité technique estacquise, la mise en œuvre dans les automateset SNCC ne pose pas de difficulté. La questionque se posent les industriels à propos ducontrôle avancé concerne la création dumodèle, le déploiement de la technique, leUn livre référenceJacquesRichalet aacquis uneréputationmondialedans la commandeprédictive,parses travauxthéoriquesd’abord, puispar la réalisationd’outilspratiques etleur mise enœuvre pendant les longues années qu’il adirigé l’Adersa. Pour réaliser l’ouvrage “Lacommande prédictive”, il a reçu le concoursd’industriels (Guy Lavielle, Joëlle Malet)ayant une bonne pratique de la commandeprédictive. Autant dire que cet ouvrage esttrès orienté vers la solution de problèmesconcrets. Il conjugue pragmatisme, pédagogieet rigueur.Sa parution prend un relief tout particulieren ces temps où les tentations de délocalisationsont fortes. La commande prédictiverésout en effet des problèmes de régulationdifficiles, mais elle va plus loin. Elle permetpar exemple de réaliser des commandesbeaucoup plus précises, économiques enénergie et qui ménagent la longévité desvannes, vérins et autres actionneurs.Pour l’essentiel, les trois premiers chapitres,qui présentent la commande prédictive,sont très accessibles et des comparaisonsavec le vécu quotidien rendent la lectureaisée.Les chapitres 4, 5 et 6 abordent le calcul durégulateur, où l’outil mathématique estnécessaire.Le chapitre 7, en particulier la commandeduale, est réservé à ceux qui veulent allerplus loin dans la stratégie de commande.Le chapitre 8 est un chapitre de mise enœuvre, riche de structures de commande,certaines d’entre elles pouvant même êtreutilisées par un PID. C’est un chapitre pratique,utile à la mise en œuvre d’applicationsindustrielles. À lire par tous, au moinspour prendre conscience de l’ouverture dela méthode à des structures de commandespécifiques.Le chapitre 9 s’adresse aux spécialistes decommande de processus thermiques. Il estoriginal et pratique.Le chapitre 10 concerne les processusinstables à réponse inverse, les plus difficilesmais heureusement les plus rares.Les chapitres 7 et 10 ne sont pas essentiels.Le chapitre 11 décrit quelques exemplesindustriels. Ne pas présenter d’applicationspourrait laisser penser que cette commandeprédictive est purement intellectuelle. Mais,parmi le très grand nombre d’applicationsréalisées, laquelle choisir ? Les auteurs se sontattachés aux éléments génériques de l’applicationplutôt qu’à ses particularités, qui n’intéressentque les spécialistes du sujet.La conclusion porte un message importantsur les précautions à prendre pour utilisercette technique et les risques encourus.Editions Eyrolles61, bd Saint-Germain75240 Paris Cedex 0530MESURES 773 - MARS 2005 - www.mesures.com

Forumchoix de la technique, du fournisseur, la formation,la maintenance de l’application. Desquestions pratiques, en somme…Mesures. Parlons du déploiement de latechnique. Qui doit le prendre en charge?Jacques Richalet. C’est la grande question.La partie algorithmique est souvent disponibleen standard, le réglage d’un régulateurprédictif est infiniment plus simple (à partirdu moment où on dispose du modèle duprocessus) que celui d’un PID. Cela dit, celuiqui est chargé de mettre en œuvre une commandeprédictive doit avoir une connaissanceapprofondie du processus, et pas seulementpour réaliser le modèle. Pour cela, laformation d’instrumentiste est absolumentnécessaire mais elle ne suffit pas, il faut uneformation complémentaire. L’ingénieur deprocess peut également être impliqué. Ilconnaît son process, il est donc a priori lemieux à même de réaliser le modèle. Mais illui manque en général les bases théoriquespour réaliser les modèles, des bases en automatismespour réaliser la partie commandeet il n’a pas d’approche système. Le profilidéal est difficile à trouver!J’ajouterai qu’il y a un gros problème sur leplan du système éducatif. C’est pour celaqu’au niveau de l’Education Nationale et desorganisations patronales, une réflexion a étéengagée pour compléter la formation deBTS-CIRA (instrumentiste, automaticien) parune année supplémentaire plus orientée analysedes processus, identification, traitementdu signal.Avec un tel bagage, le jeune n’auraitaucune appréhension à effectuer un travailde modélisation et il serait capable demettre en œuvre et maintenir le système decommande avancé. Ceci dit, on rencontrebeaucoup d’inerties et il est difficile de fairebouger les choses.Mesures. Il y a une autre solution. Faireappel à un stagiaire…Jacques Richalet. Je sais que cette solution asouvent été évoquée lors de colloques organiséssur le contrôle avancé. Mais souvent, l’industrielse trompe sur l’utilisation du stagiaire.Lorsqu’il ne connaît pas une technique, il pensequ’un stagiaire va lui permettre d’avanceret l’aider à entrer dans la connaissance d’unetechnique. C’est une grave erreur de comptersur un stagiaire pour apprendre quelque choseque l’on ne connaît pas. Il faut que l’industrielait lui-même une bonne connaissancepréalable de la technique, afin de pouvoircadrer et encadrer le travail du stagiaire. Dansce cas, le stagiaire peut lui apporter une aideprécieuse et faire un travail efficace.“Il y a ungros problèmeauniveau de laformation.Il faudraitque les BTS-CIRA bénéficientd’une formationcomplémentaireen modélisation.”Une autre approche intéressante, c’est leCNAM cycle long.Avec ce type de cours, unindustriel peut acquérir les compétencesnécessaires pour mettre en œuvre le contrôleavancé.Mesures. Lors des colloques sur le contrôleavancé, certains ont souligné les succèsinitiaux de la technique lors de sondéploiement, puis son échec au bout dequelques années…Jacques Richalet. Cette réflexion rejoint unpeu la précédente. Certains industriels ontcrû en effet pouvoir compter sur un stagiairepour déployer la technique puis le stagiaireparti, ils l’ont laissée en l’état. Il ne fautpas s’étonner que l’échec soit au bout duchemin…Le principal problème vient du fait que lesfournisseurs (constructeurs, ingénieries,sociétés de conseil, universitaires) ont tendanceà “survendre” les techniques decontrôle avancé. Or il en est du contrôle avancécomme de toutes les techniques : pourqu’il soit un succès, il faut qu’il soit documenté,qu’il bénéficie d’une maintenancesuivie et qu’il existe des formations. Lecontrôle avancé, ce n’est pas le mythe de l’intelligenceartificielle qui voit tout, comprendtout, s’autoadapte, etc. Le pire piège, c’est dese laisser griser par la réussite et l’efficacité dela technique pendant les premiers mois etd’oublier de la faire vivre. Or le contrôle avancéest certes très robuste mais il doit évolueravec son environnement. Si les capteurs ou lesvannes ont été changés, il faudra par exempleréajuster quelques paramètres. Il faut quel’entreprise intègre le contrôle avancé dansson plan de documentation, dans son plan demaintenance, dans son plan de formation,comme elle le fait pour n’importe quelletechnique. Il y a souvent de graves lacunes àce niveau et c’est là que se situe la véritabledifficulté de la pénétration de ces techniquesdans l’industrie.Dans tout cela, la question n’est pas tellementcelle du déploiement initial. Il y ades applications, mises en œuvre par dessociétés d’ingénierie, qui continuent dedonner totalement satisfaction au bout dedix ans d’exploitation. La clé du succès,c’est l’appropriation de la technique parl’industriel…Mesures. Dans le livre sur la commandeprédictive que vous avez cosigné, vous parlezde deux étapes clés, le test au bout de1 an et le test au bout de 5 ans…Jacques Richalet. Ça rejoint un peu ce queje viens de dire. Pendant la première année,le programme de commande a permis detraiter tous les cas difficiles, des adaptationslocales ont été faites, la plupart du temps auniveau de l’environnement logique de lacommande (peu au niveau du réglage de lacommande prédictive elle-même). Le systèmefonctionne, et il bénéficie d’une forteadhésion de l’exploitant.Qu’en est-il au bout de cinq ans? En 5 ans,il peut y avoir eu de nombreux changementsau niveau de la spécification de la production(tant en termes quantitatifs que qualitatifs)ou de la matière première utilisée. Lescapteurs et les vannes en place n’ont pas forcémentles mêmes performances que cellesqui étaient présentes lors du démarrage del’application. Des modifications ont égalementpu intervenir au niveau du système decontrôle-commande. Bref, le régulateur n’estplus adapté aux conditions pour lesquellesil a été installé. Pour corser la difficulté, ilarrive très fréquemment que l’équipe qui aimplanté le système a changé de service,changé de site, voire quitté l’entreprise.Pour toutes ces raisons, il y a problème. Permettez-moid’insister sur ce que je disais il ya un instant : certaines techniques de contrôleavancé ont peut-être été “survendues” et letort est de surestimer leur intelligence. Encoreune fois, les maîtres-mot sont “documentation”,“appropriation”, “maintenance”.Sortis de là, il n’y a pas de salut, ou alorsle retour au PID, que les opérateurs industrielsmaîtrisent bien. Un retour en arrière,incontestablement. Encore une fois, lecontrôle avancé est une technique, commeune autre, et il ne doit pas être traité avec deségards particuliers…Propos recueillis par Jean-François PeyrucatMESURES 773 - MARS 2005 - www.mesures.com31