I sistemi di controllo possono essere distinti in due categorie: sistemi ad anello aperto e sistemi ad anello chiuso:

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1 3.1 GENERALITÀ Per sistema di controllo si intende un qualsiasi sistema in grado di fare assumere alla grandezza duscita un prefissato andamento in funzione della grandezza di ingresso, anche in presenza di disturbi (dovuti a fattori esterni al sistema) e parametrici (dovuti al deterioramento parziale dei componenti del sistema). I sistemi di controllo possono essere distinti in due categorie: sistemi ad anello aperto e sistemi ad anello chiuso: 3.2 SISTEMI DI CONTROLLO AD ANELLO APERTO Nei sistemi ad anello aperto lazione di controllo è indipendente dalluscita; non si opera nessuna misura della grandezza duscita. Esempio Consideriamo un sistema di controllo di temperatura ad esempio di un forno a gas. In questo sistema la temperatura, grandezza da controllare, viene scelta mediante il posizionamento di una manopola che regola lerogazione del gas al bruciatore In questo sistema non si opera nessun controllo sulla grandezza duscita. Il controllo ad anello aperto presenta lo svantaggio che uneventuale variazione delluscita rispetto al valore desiderato, dovuta ad es. ai disturbi, non viene percepita in ingresso. Una più efficacia regolazione della temperatura può essere ottenuta misurando continuamente la temperatura del forno ed intervenendo di conseguenza sulla manopola, aumentando lafflusso del gas se la temperatura è al disotto del valore desiderato oppure diminuendolo in caso contrario Se sostituiamo completamento lintervento delluomo con dispositivi appropriati, il sistema diventa sistema di controllo automatico di temperatura ad anello chiuso R i s e r v a t o P a g i n a / 0 4 / III-2

2 3.3 SISTEMI DI CONTROLLO AD ANELLO CHIUSO Nei sistemi ad anello chiuso detti anche sistemi a retroazione (feedback) lazione di controllo dipende dalluscita. Luscita, viene continuamente <<saggiata>> ed il suo valore è confrontato con una grandezza di riferimento (Vi), in modo da produrre, ogni qualvolta ci sia una diversità fra luscita reale e quella voluta, un azione correttiva che riporti luscita al valore desiderato. Un sistema di controllo ad anello chiuso può essere schematizzato nel seguente modo: Blocco di reazione E costituito da un trasduttore che effettua la conversione della grandezza fisica da controllare (temperatura, velocità, ecc. ) in un segnale elettrico proporzionale e da un blocco di condizionamento che adatta il segnale generato dal trasduttore per essere confrontato con il segnale di riferimento Nodo sottrattore Il nodo sottrattore ha il compito di elaborare il segnale di riferimento e quello di reazione e quindi di generare il segnale errore Ve che opera lopportuna azione correttrice. Nei sistemi continui il dispositivo che effettua il confronto (nodo sottrattore) è realizzato con un amplificatone in connessione differenziale, nei sistemi di controllo On-Off invece con un comparatore. Controllore Il controllore ha lo scopo di manipolare il segnale errore, è presente se occorre migliorare il comportamento dellintero sistema in termini di velocità, precisione e stabilità, può essere una rete correttrice oppure un regolatore industriale. Blocco di comando attuatore Il segnale proveniente dal nodo sottrattore opportunamente trattato, comanda lattuatore (riscaldatore, motore, ecc) per produrre il segnale duscita desiderato. Il blocco di comando attuatore in genere è composto da un preamplificatore e da un amplificatore di potenza. Nota: per lo studio dei sistemi di controllo a catena chiusa si fa uno dello schema semplificato. R i s e r v a t o P a g i n a / 0 4 / III-3

3 ESEMPIO DI UN SISTEMA DI CONTROLLO AUTOMATICO DI VELOCITÀ DI UN MOTORE IN CORRENTE CONTINUA Descrizione dei blocchi: Il sistema di reazione trasduce la velocità di rotazione in tensione (Vr) Il potenziometro fornisce la tensione di riferimento (Vi) Il nodo sottrattore confronta la tensione di riferimento (Vi) con quella proveniente da sistema di trasduzione e produce il segnale errore. ( Ve = Vi-Vr ) Il controllore ha lo scopo di manipolare il segnale errore; è presente se occorre migliorare il comportamento dellintero sistema in termini di velocità, precisione e stabilità, può essere una rete correttrice oppure un regolatore industriale (PID) Il blocco di comando (amplificatore), fornisce al motore il valore opportuno di tensione per mantenere costante la velocità. (Esso rappresenta lelemento di regolazione) Principio di funzionamento. Fissato tramite il potenziometro il valore della tensione di riferimento Vi (quindi la velocità di rotazione del motore), se il motore tende a rallentare, diminuirà la tensione proveniente dal blocco di reazione (Vr), aumenterà lerrore (Ve) e la tensione ai capi del motore, di conseguenza aumenterà anche la velocità del motore, compensando così la diminuzione di velocità. R i s e r v a t o P a g i n a / 0 4 / III-4

4 ESEMPIO DI UN SISTEMA DI CONTROLLO AUTOMATICO DI TEMPERATURA DI UN FORNO Descrizione dei blocchi: Il blocco di reazione trasduce la temperatura in tensione (Vr). È costituito dallinsieme del trasduttore (ad es. termocoppia) e dal blocco di condizionamento. Il blocco di condizionamento ha la funzione di adattare i valori di tensione generati dalla termocoppia per il confronto con la tensione di riferimento. Il potenziometro fornisce la tensione di riferimento (Vi) ; rappresenta il valore della temperatura ideale che si vuole mantenere nel forno; Il nodo sottrattore 1 confronta la tensione di riferimento (Vi) con quella proveniente da sistema di trasduzione e produce il segnale errore. ( Ve = Vi-Vr ); Il controllore ha lo scopo di manipolare il segnale errore; è presente se occorre migliorare il comportamento dellintero sistema in termini di velocità, precisione e stabilità, può essere una rete correttrice oppure un regolatore industriale (PID) Il blocco di comando è costituito, ad es. da una elettrovalvola proporzionale, in grado cioè di modulare lapertura in funzione della tensione di pilotaggio; in uscita si avrà quindi una portata di combustibile proporzionale alla tensione stessa. Il forno è limpianto da controllare è costituito dallinsieme del bruciatore e del forno vero e proprio. Principio di funzionamento. Fissato tramite il potenziometro il valore della tensione di riferimento Vi (quindi la temperatura del forno), se la temperatura del forno diminuisce, diminuirà la tensione proveniente dal blocco di reazione (Vr), aumenterà lerrore (Ve) e quindi la tensione ai capi dellelettrovalvola, di conseguenza aumenterà la quantità di combustibile e quindi aumenterà la temperatura del forno, compensando così la diminuzione di temperatura. 1 Il nodo sottrattore in genere è realizzato con un amplificatore operazionale. R i s e r v a t o P a g i n a / 0 4 / III-5

5 3.4 SISTEMA DI CONTROLLO ON/OFF Il sistema di controllo ON/OFF, (a funzionamento intermittente nel tempo), viene usato quando non si richiede una marcata precisione; esso è economico e semplice da realizzare. La struttura base è la seguente: E cosi chiamato perché il dispositivo che effettua il confronto (comparatore) tra la grandezza duscita convertita in tensione (Vr), tramite il blocco di reazione e quella di ingresso (Vi), ha solamente due stati possibili alto (h) o basso (l). Caratteristica del comparatore: se Vr < Vi Ve = h se Vr > Vi Ve = l Principio di funzionamento del sistema: - Se luscita è minore di quella desiderata (impostata tramite Vi), il comparatore venendosi a trovare allo stato alto, attiva lattuatore (ad es. riscaldatore, motore, ecc) per mezzo del blocco di comando. - Non appena luscita raggiunge il valore desiderato il comparatore commuta allo stato basso, disattivando così lattuatore. Possibile andamento delluscita di un sistema di controllo on/off R i s e r v a t o P a g i n a / 0 4 / III-6

6 3.6 CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI DI CONTROLLO I sistemi di controllo a catena chiusa si distinguono in: regolatori: quando il valore della grandezza controllata deve essere mantenuta costante; esempi: - sistema di controllo di velocità di un motore in c.c. (deve essere mantenuta costante la velocità); - sistema di controllo della temperatura di un forno (deve essere mantenuta costante la temperatura); servomeccanismi : quando la grandezza controllata di tipo meccanico (posizione, velocità, ecc.) deve seguire nel tempo le variazioni della grandezza di riferimento; esempio - sistema di trasmissione e di ricezione via satellite: lantenna di ricezione e trasmissione insegue istante per istante il satellite; a valore programmato: quando la grandezza controllata varia nel tempo secondo un programma stabilito; esempio: - lavatrice automatica: tutte le grandezze di questo sistema (livello e temperatura dellacqua, verso e velocità del cestello hanno nel tempo un andamento che è prefissato mediante il programmatore. - torni a controllo numerico: le azioni compiute dalla macchina sono controllate da un programma gestito da un calcolatore o da un sistema a P dedicato. 3.6 REQUISITI DI UN SISTEMA DI CONTROLLO Ad un sistema di controllo è richiesto: - di risentire del minore modo possibile dei disturbi dovuti a cause esterne; - di rispondere il più prontamente possibile alle sollecitazioni; - di fornire una risposta la più precisa possibile R i s e r v a t o P a g i n a / 0 4 / III-10

7 3.7 LA FUNZIONE DI TRASFERIMENTO DEI SISTEMI DI CONTROLLO REAZIONATI U s W s f.d.t. ad anello chiuso ; E(s) R s H s f.d.t. del blocco di reazione U s G(S) H(S) f.d.t. ad anello aperto In molti casi per agevolare lo studio dei sistemi di controllo reazionati è preferibile utilizzare lo schema equivalente con retroazione unitaria. R i s e r v a t o P a g i n a / 0 4 / III-11