collana di istruzione scientifica serie di tecnologia

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1 collana di istruzione scientifica serie di tecnologia

2 Dal catalogo McGraw-Hill: P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, Fondamenti di controlli automatici, 3 a ed. P. Chiacchio, F. Basile, Tecnologie informatiche per l automazione, 2 a ed. B. Siciliano, L. Sciavicco, L. Villani, G. Oriolo, Robotica - Modellistica, pianificazione e controllo, 3 a ed. S. Chiaverini, F. Caccavale, L. Villani, L. Sciavicco, Fondamenti di sistemi dinamici A. Di Febbraro, A. Giua, Sistemi ad eventi discreti C. Bonivento, L. Gentili, A. Paoli, Sistemi di automazione industriale. Architetture e controllo.

3 GianAntonio Magnani Gianni Ferretti Paolo Rocco Tecnologie dei sistemi di controllo seconda edizione McGraw-Hill Milano New York San Francisco Washington D.C. Auckland Bogotá Lisboa London Madrid Mexico City Montreal New Dehli San Juan Singapore Sydney Tokyo Toronto

4 Copyright 2007, 2000 The McGraw-Hill Companies, srl Publishing Group Italia via Ripamonti, Milano McGraw-Hill A Division of the McGraw-Hill Companies I diritti di traduzione, di riproduzione, di memorizzazione elettronica e di adattamento totale e parziale con qualsiasi mezzo (compresi i microfilm e le copie fotostatiche) sono riservati per tutti i paesi. Nomi e marchi citati nel testo sono generalmente depositati o registrati dalle rispettive case produttrici. L editore ha fatto quanto possibile per contattare gli aventi diritto delle immagini che compaiono nel testo e resta a disposizione di chi non è stato possibile contattare. Editor: Paolo Roncoroni Produzione: Donatella Giuliani Realizzazione editoriale: CompoMat s.a.s. Grafica di copertina: G&G Stampa: Realizzazione print on demand: Ilovebooks, Fara Gera d Adda (Bergamo) Stampa: Prontostampa, Fara Gera d Adda (Bergamo) ISBN Printed in Italy

5 Indice Prefazione XIII 1 Introduzione 1 2 Elementi di modellistica Introduzione Equazioni di conservazione per processi a fluido Portata massica e volumetrica Principio di conservazione della massa Principio di conservazione dell energia Equazione di Bernoulli Processi termici Elementi di meccanica Quantità meccaniche Forze e momenti Equazioni di moto Conversione elettromeccanica Generazione di coppia motrice Generazione di forza controelettromotrice Principi generali di conversione elettromeccanica Problemi Misura e sensori Introduzione Proprietà generali dei sensori Accuratezza, ripetibilità e rangeability Caratteristica statica, sensibilità e risoluzione Comportamento dinamico Scelta dei sensori Sensori di temperatura Termocoppie Sensori di temperatura resistivi e a semiconduttore Termistori Sensori di pressione Dispositivi basati sulla misura dell altezza di una colonna di liquido (manometri a colonna)... 50

6 VI Indice Dispositivi basati sulla misura di deformazione di un elemento elastico Trasduzione di una deformazione in un segnale elettrico Sensori di portata Dischi forati, boccagli e venturimetri Sensori di portata a sezione variabile (rotametri) Sensori di portata a vortici Sensori di portata elettromagnetici Sensori massici Sensori rotanti Sensori di livello Sensori a principio idrostatico Sensori a principio capacitivo Sensori a ultrasuoni Interruttori di livello Sensori di posizione Metodo di misura incrementale Metodo di misura assoluto Sensori di accelerazione Problemi Condizionamento e conversione dei segnali Introduzione Ingressi analogici Generalità Accoppiamenti e interferenze tra circuiti e segnali Amplificatori per il condizionamento Collegamenti single-ended e differenziali Isolamento galvanico Segnali standard Circuiti di condizionamento Multiplexer Campionamento e mantenimento Conversione A/D Uscite analogiche Introduzione Condizionamento Conversione D/A Ingressi e uscite digitali Introduzione Condizionamento Protezioni Problemi...115

7 Indice VII 5 Attuatori per il controllo dei flussi di materiali ed energia Introduzione Circuiti idraulici Valvole di regolazione Definizioni Classificazione delle valvole (cenni) Caratteristiche intrinseche e coefficiente di efflusso C v Dipendenza della portata dal salto di pressione Scelta e dimensionamento Fluidi comprimibili (cenni) Attuatori e servoposizionatori Pompe Pompe centrifughe Pompe volumetriche Schemi di collegamento e regolazione Schematizzazione del problema di controllo della portata Problemi Attuatori per il controllo del moto Introduzione Motori elettrici a magneti permanenti a corrente continua Struttura del motore a corrente continua Costante di coppia Costante di forza controelettromotrice Modello dinamico Caratteristica coppia-velocità Pregi e difetti del motore a corrente continua Motori elettrici a magneti permanenti brushless Principio di funzionamento Il motore brushless trapezio Il motore brushless sinusoidale Controllo di corrente Amplificatori di potenza Progetto del controllore di corrente Controllo PWM (Pulse Width Modulation) Attuatori oleodinamici Un circuito basilare per l attuazione oleodinamica Componenti per l attuazione e la modulazione di portata Modello di un servomeccanismo oleodinamico Problemi Regolatori industriali Introduzione Funzioni dei regolatori industriali Le ragioni del successo dei regolatori PID...192

8 VIII Indice Progetto integrato del processo e del controllo e ruolo della simulazione dinamica Leggi di controllo Schema e simboli di riferimento Controllo a relay Controllo PID Legge di controllo e caratteristiche del processo Quando adeguato un regolatore PID Processi del primo ordine con ritardo Processi del secondo ordine con ritardo Cancellazione dei poli del processo Processi integrali Doppio integratore Taratura manuale e automatica Metodi basati sullo studio della risposta allo scalino Metodi basati sulla risposta in frequenza Metodi di stima parametrica Controllo adattativo Tecniche di autotaratura e controllo adattativo nei regolatori commerciali Problemi implementativi Wind-up dell integratore Commutazione manuale/automatico e automatico /manuale Realizzazione digitale Equivalenti discreti dei regolatori PID Pseudocodice di un regolatore PID Scelta della frequenza di campionamento Altre funzioni Elaborazioni sui segnali di misura Allarmi e autodiagnostica Interfaccia verso l operatore Funzioni ausiliarie Classificazione dei prodotti commerciali Problemi Strutture di controllo Introduzione Controllo in cascata Progetto Applicazioni tipiche Controllo in andata (feedforward) Compensazione del disturbo Azione diretta (anticipo) dal setpoint Predittore di Smith Elementi non lineari...259

9 Indice IX Limitatori Controllo con selettore Controllo di rapporto Controllo split-range Controllo multivariabile Controllo non interagente Problemi Controllo del moto Pianificazione del moto Generalità Moto punto-punto Messa in scala di traiettorie Moto su percorso assegnato Organi di trasmissione del moto Funzione dell organo di trasmissione Harmonic Drive Elasticità torsionale L attrito Modello del carico Dimensionamento Controllo di posizione e velocità Introduzione Ruolo della dinamica elettrica L approssimazione rigida Controllo P/PI di posizione e velocità Il modello elastico Controllo con misure solo lato motore Controllo con misure lato carico Schemi avanzati di controllo Controllo del moto con attuatori idraulici Premessa Accoppiamento rigido pistone-carico Accoppiamento elastico pistone-carico Considerazioni conclusive Problemi Sistemi elettronici per il controllo Introduzione Funzioni di un sistema di controllo ed automazione Componenti e prodotti per i sistemi di controllo Architetture dei sistemi di controllo di processo Esempio 1: architettura di un controllore numerico Esempio 2: architettura di un sistema di controllo avionico Elementi di comunicazioni digitali per i sistemi di controllo...381

10 X Indice Collegamento fisico Standard per i livelli 1 e Fieldbus FOUNDATION Fieldbus A Specifica e documentazione dei sistemi di controllo 399 A.1 DiagrammiP&I A.1.1 Modalità di identificazione degli strumenti A.1.2 Simboli grafici A.1.3 Dettaglio dei diagrammi P&I A.2 Esempi di fogli di specifica di valvole e sensori B Amplificatori e collegamenti di massa 413 B.1 Amplificatori operazionali B.2 Amplificatori da strumentazione B.3 Amplificatori d isolamento B.4 Note sui collegamenti di massa e terra Bibliografia 427

11 A Claudio Maffezzoni

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13 Prefazione La nuova edizione di questo volume è frutto della lunga esperienza di ricerca e insegnamento maturata dagli Autori nell ambito delle tecnologie dei sistemi di controllo e del controllo del moto e propone la trattazione di aspetti concettuali, metodologici e descrittivi inerenti la realizzazione di tali sistemi. Testi in lingua inglese di contenuto similare evidenzierebbero probabilmente nel titolo la parola instrumentation. In effetti anche nell industria italiana si usa chiamare strumentazione l insieme della componentistica utilizzata per la realizzazione dei sistemi di controllo. D altra parte riteniamo che questo libro si distingua da altri che trattano la stessa materia per un impostazione sistemistica, derivante dal nostro bagaglio culturale e di esperienza. Con questa impostazione si dà enfasi agli aspetti strumentali di maggiore impatto sul funzionamento del sistema di controllo nel suo complesso. Di conseguenza il testo può apparire incompleto in alcuni aspetti propri della strumentazione, come le problematiche d installazione di valvole o sensori, di compatibilità dei materiali costruttivi, di gestione e manutenzione, per i quali si rimanda alle pubblicazioni specialistiche. Discute invece con un estensione inusuale per i testi di strumentazione argomenti quali i criteri di utilizzo dei regolatori industriali PID al variare delle proprietà dinamiche del processo, oppure il dimensionamento e la scelta della caratteristica intrinseca delle valvole di regolazione, che sono indicati da varie statistiche tra le cause principali di insoddisfacenti prestazioni degli anelli di regolazione. Coerentemente con la sua impostazione sistemistica, il testo tratta tematiche proprie sia del controllo di processo sia del controllo di sistemi meccanici, con specifico riferimento al controllo del moto, al quale viene dedicato ampio spazio in ragione della sua importanza nel settore delle macchine automatiche, delle macchine per produrre e della robotica industriale. Viene trattato con una certa estensione anche il condizionamento dei segnali forniti dai sensori, compresi aspetti, come quelli relativi all isolamento dei circuiti d ingresso/uscita, apparentemente specialistici, ma nei quali in realtà ci si imbatte ogniqualvolta ci si cimenta con un sistema di acquisizione dati e/o controllo, anche di laboratorio. Pur nell unitarietà data dal denominatore comune delle tecnologie dei sistemi di controllo, il testo ha una struttura modulare che consente di omettere alcune parti senza incorrere in serie difficoltà di comprensione della parte rimanente. Per esempio, chi fosse interessato al solo ambito del controllo di processo potrebbe omettere i Capitoli 6 e 9, che trattano il controllo del moto, senza averne pregiudi-

14 XIV Prefazione zio sulla comprensione. Viceversa chi fosse interessato unicamente alle tematiche di controllo del moto potrà omettere il Capitolo 5 e parti dei Capitoli 3 e 8. Infine, in questo testo non sono trattati argomenti di microelettronica (sistemi a microprocessori, bus paralleli) e di informatica (software, sistemi operativi real time), di notevole interesse nella realizzazione dei sistemi di controllo, ma di complessità tale da consigliare lo studio su altri testi o in corsi dedicati. La conoscenza di fondamenti di fisica, e in particolare di alcune nozioni di termodinamica tecnica, di meccanica e di elettromagnetismo, è un prerequisito per la comprensione di vari argomenti esposti nel volume. Per questo motivo i concetti basilari sono richiamati nel Capitolo 2. Il Capitolo 4 richiede conoscenze di base di elettronica, in parte richiamate nell Appendice B. Infine i Capitoli 7, 8 e 9 presuppongono la conoscenza dei fondamenti dei controlli automatici, mentre conoscenze di base di informatica sono utili per il Capitolo 10. I Capitoli 3, 4, 5, 7, 8 e 10 derivano da una rivisitazione dei corrispondenti capitoli della precedente edizione, pubblicata da McGraw-Hill nel I Capitoli 6 e 9, che sono completamente nuovi, trattano invece il controllo del moto. Desideriamo ringraziare i nostri colleghi del Dipartimento di Elettronica e Informazione del Politecnico di Milano, la cui quotidiana frequentazione costituisce il terreno fertile sul quale è maturata la nostra esperienza: abbiamo cercato di riversarne il distillato nel presente testo. Gianni Ferretti GianAntonio Magnani Paolo Rocco