Capitolo. Panoramica dei sistemi di controllo

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1 Capitolo Generalità 3.2 Sistemi ad anello aperto 3.3 Sistemi ad anello chiuso 3.4 Sistemi di controllo on/off 3.5 Sistemi di controllo a microprocessore 3.6 Caratteristiche dei sistemi di controllo 3.7 Requisiti dei sistemi di controllo 3.8 La funzione di trasferimento dei sistemi di controllo

2 3.1 GENERALITÀ Per sistema di controllo si intende un qualsiasi sistema in grado di fare assumere alla grandezza d uscita 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 l azione di controllo è indipendente dall uscita; non si opera nessuna misura della grandezza d uscita. 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 l erogazione del gas al bruciatore In questo sistema non si opera nessun controllo sulla grandezza d uscita. Il controllo ad anello aperto presenta lo svantaggio che un eventuale variazione dell uscita 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 l afflusso del gas se la temperatura è al disotto del valore desiderato oppure diminuendolo in caso contrario Se sostituiamo completamento l intervento dell uomo 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

3 3.3 SISTEMI DI CONTROLLO AD ANELLO CHIUSO Nei sistemi ad anello chiuso detti anche sistemi a retroazione (feedback) l azione di controllo dipende dall uscita. L uscita, 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 l uscita reale e quella voluta, un azione correttiva che riporti l uscita 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 l opportuna 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 dell intero 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 l attuatore (riscaldatore, motore, ecc) per produrre il segnale d uscita 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

4 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 dell intero 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 l elemento 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 l errore (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

5 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 dall insieme 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 dell intero 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 l apertura in funzione della tensione di pilotaggio; in uscita si avrà quindi una portata di combustibile proporzionale alla tensione stessa. Il forno è l impianto da controllare è costituito dall insieme 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 l errore (Ve) e quindi la tensione ai capi dell elettrovalvola, 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

6 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 d uscita 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 l uscita è minore di quella desiderata (impostata tramite Vi), il comparatore venendosi a trovare allo stato alto, attiva l attuatore (ad es. riscaldatore, motore, ecc) per mezzo del blocco di comando. - Non appena l uscita raggiunge il valore desiderato il comparatore commuta allo stato basso, disattivando così l attuatore. Possibile andamento dell uscita 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

7 PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA DI CONTROLLO AUTOMATICO DI TEMPERATURA ON/OFF, FACENDO USO DEL TRASDUTTORE AD590 Specifiche: temperatura di set-point 40 C Questo sistema consente di controllare la temperatura di un ambiente, mediante l attivazione di un riscaldatore quando la temperatura scende al disotto di una soglia prefissata (40 C). La temperatura di soglia (40 C) viene scelta impostando Vi tramite il trimmer R 2. Calcolo della tensione Vr per una temperatura di soglia di 40 C. Il trasduttore AD590 trasduce la temperatura in corrente, eroga una corrente 1 µa per ogni K. temperatura corrente erogata +40 C I = (273+40) µa = 313 µa Scegliendo R = 10KΩ Vr = 10KΩ x 313µA = 3,13V R i s e r v a t o P a g i n a / 0 4 / III-7

8 Dimensionamento del generatore di tensione di riferimento Scegliendo: R1= 4.7KΩ, R2=1.5KΩ R2 =1kΩ (trimmer multigiri di regolazione) Vi(min) Vcc ' = R ' 2 = 2,90V R1 + R2 ' '' ( R R ) Vcc Vi(max) + = '' 2 2 = 4,17V ' R 1 + R 2 + R2 Regolando il trimmer multigiri R2 si ottiene Vi = 3,13V Dimensionamento del blocco di comando Il relè per essere eccitato necessita di una corrente I l = 12/300 = 40mA che l operazionale non è in grado di fornire. dati relè: Va=12V ; R=300Ω dati BjT 2N2222A: h FE(min) =75; V CE ( s a t ) =0,3V ; V BE ( s a t ) =0,8V È pertanto necessario ricorrere ad un BJT in funzionamento ON/OFF. Calcolo della I b di saturazione Per portare in saturazione il BJT è necessaria una I b >Ic/ h FE(min), sostituendo si ha: I b >40/75=0,53mA. Si può scegliere I b = 2mA Dimensionamento della Re Ve VBE( sat) Rb = ( 15 0,8 ) V = = 7,1KΩ ( 6,8ΚΩ) Ib 2mA Da notare: Il diodo inserito in parallelo alla bobina del relè, serve per evitare sovratensioni pericolose sul collettore del BjT nella commutazione in OFF. Il diodo inserito sul BJT, serve per proteggere la giunzione BE, quando l uscita del comparatore è a livello basso (Ve -12V). R i s e r v a t o P a g i n a / 0 4 / III-8

9 3.5 SISTEMA DI CONTROLLO A MICROPROCESSORE Il sistema di controllo a microprocessore fa uso di un elaboratore o di un sistema a µp dedicato; ha un funzionamento che dipende dal programma di gestione. Vantaggi: Il vantaggio più evidente è quello della versatilità, infatti se si vuole variale il valore della grandezza da controllare, basta modificare il programma di gestione senza intervenire sull hardware. Il blocco di reazione acquisisce la grandezza da controllare e la converte in formato digitale L elaboratore legge il dato digitale, lo confronta con il valore di riferimento precedentemente impostato e invia il risultato dell elaborazione al convertitore D/A.. Il convertitore D/A lo converte in segnale analogico. e lo invia al blocco di commando Il blocco di comando fornisce all attuatore il segnale opportuno di controllo. Note: Se la grandezza da controllare varia velocemente prima del convertitore A/D, bisogna inserire il blocco Sample-Hold, per mantenere stabile il segnale durante il processo di conversione. Nei sistemi di controllo on/off a microprocessore manca il convertitore D/A. R i s e r v a t o P a g i n a / 0 4 / III-9

10 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: l antenna 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 dell acqua, 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 µp 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

11 3.7 LA FUNZIONE DI TRASFERIMENTO DEI SISTEMI DI CONTROLLO REAZIONATI U () () s W s = f.d.t. ad anello chiuso ; () s E(s) ( s) () R H = 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