Indice Prefazione XIII 1 Introduzione 1 2 Elementi di modellistica 9 2.1 Introduzione... 9 2.2 Equazioni di conservazione per processi a fluido... 9 2.2.1 Portata massica e volumetrica... 9 2.2.2 Principio di conservazione della massa... 11 2.2.3 Principio di conservazione dell energia... 13 2.2.4 Equazione di Bernoulli... 15 2.2.5 Processi termici... 18 2.3 Elementi di meccanica... 21 2.3.1 Quantità meccaniche... 21 2.3.2 Forze e momenti... 24 2.3.3 Equazioni di moto... 25 2.4 Conversione elettromeccanica... 27 2.4.1 Generazione di coppia motrice... 27 2.4.2 Generazione di forza controelettromotrice... 29 2.4.3 Principi generali di conversione elettromeccanica... 32 2.5 Problemi... 35 3 Misura e sensori 37 3.1 Introduzione... 37 3.2 Proprietà generali dei sensori... 38 3.2.1 Accuratezza, ripetibilitàerangeability... 38 3.2.2 Caratteristica statica, sensibilità erisoluzione... 40 3.2.3 Comportamento dinamico... 40 3.2.4 Scelta dei sensori... 41 3.3 Sensori di temperatura... 42 3.3.1 Termocoppie... 42 3.3.2 Sensori di temperatura resistivi easemiconduttore... 47 3.3.3 Termistori... 48 3.4 Sensori di pressione... 50 3.4.1 Dispositivi basati sulla misura dell altezza di una colonna di liquido (manometri a colonna)... 50
VI Indice 3.4.2 Dispositivi basati sulla misura di deformazione di un elemento elastico... 51 3.4.3 Trasduzione di una deformazione in un segnale elettrico. 53 3.5 Sensori di portata... 57 3.5.1 Dischi forati, boccagli e venturimetri... 57 3.5.2 Sensori di portata a sezione variabile (rotametri)... 59 3.5.3 Sensori di portata a vortici... 60 3.5.4 Sensori di portata elettromagnetici... 62 3.5.5 Sensori massici... 63 3.5.6 Sensori rotanti... 64 3.6 Sensori di livello... 65 3.6.1 Sensori a principio idrostatico... 65 3.6.2 Sensori a principio capacitivo... 66 3.6.3 Sensori a ultrasuoni... 66 3.6.4 Interruttori di livello... 67 3.7 Sensori di posizione... 67 3.7.1 Metodo di misura incrementale... 68 3.7.2 Metodo di misura assoluto... 75 3.8 Sensori di accelerazione... 78 3.9 Problemi... 80 4 Condizionamento e conversione dei segnali 83 4.1 Introduzione... 83 4.2 Ingressi analogici... 84 4.2.1 Generalità... 84 4.2.2 Accoppiamenti e interferenze tra circuiti e segnali... 85 4.2.3 Amplificatori per il condizionamento... 90 4.2.4 Collegamenti single-ended e differenziali... 91 4.2.5 Isolamento galvanico... 93 4.2.6 Segnali standard... 95 4.2.7 Circuiti di condizionamento... 96 4.2.8 Multiplexer...102 4.2.9 Campionamento e mantenimento...103 4.2.10 Conversione A/D...106 4.3 Uscite analogiche...109 4.3.1 Introduzione...109 4.3.2 Condizionamento...109 4.3.3 Conversione D/A...110 4.4 Ingressi e uscite digitali...112 4.4.1 Introduzione...112 4.4.2 Condizionamento...112 4.5 Protezioni...114 4.6 Problemi...115
Indice VII 5 Attuatori per il controllo dei flussi di materiali ed energia 117 5.1 Introduzione...117 5.2 Circuiti idraulici...117 5.3 Valvole di regolazione...118 5.3.1 Definizioni...119 5.3.2 Classificazione delle valvole (cenni)...120 5.3.3 Caratteristiche intrinseche e coefficiente di efflusso C v..121 5.3.4 Dipendenza della portata dal salto di pressione...124 5.3.5 Scelta e dimensionamento...128 5.3.6 Fluidi comprimibili (cenni)...137 5.3.7 Attuatori e servoposizionatori...137 5.4 Pompe...139 5.4.1 Pompe centrifughe...140 5.4.2 Pompe volumetriche...143 5.5 Schemi di collegamento e regolazione...145 5.5.1 Schematizzazione del problema di controllo della portata. 146 5.6 Problemi...147 6 Attuatori per il controllo del moto 149 6.1 Introduzione...149 6.2 Motori elettrici a magneti permanenti a corrente continua...149 6.2.1 Struttura del motore a corrente continua...149 6.2.2 Costante di coppia...153 6.2.3 Costante di forza controelettromotrice...155 6.2.4 Modello dinamico...155 6.2.5 Caratteristica coppia-velocità...156 6.2.6 Pregi e difetti del motore a corrente continua...157 6.3 Motori elettrici a magneti permanenti brushless...158 6.3.1 Principio di funzionamento...158 6.3.2 Il motore brushless trapezio...161 6.3.3 Il motore brushless sinusoidale...166 6.4 Controllo di corrente...171 6.4.1 Amplificatori di potenza...171 6.4.2 Progetto del controllore di corrente...174 6.4.3 Controllo PWM (Pulse Width Modulation)...178 6.5 Attuatori oleodinamici...178 6.5.1 Un circuito basilare per l attuazione oleodinamica...180 6.5.2 Componenti per l attuazione e la modulazione di portata. 181 6.5.3 Modello di un servomeccanismo oleodinamico...185 6.6 Problemi...190 7 Regolatori industriali 191 7.1 Introduzione...191 7.1.1 Funzioni dei regolatori industriali...191 7.1.2 Le ragioni del successo dei regolatori PID...192
VIII Indice 7.1.3 Progetto integrato del processo e del controllo e ruolo della simulazione dinamica...193 7.2 Leggi di controllo...194 7.2.1 Schema e simboli di riferimento...194 7.2.2 Controllo a relay...194 7.2.3 Controllo PID...195 7.3 Legge di controllo e caratteristiche del processo...202 7.3.1 Quando adeguato un regolatore PID...203 7.3.2 Processi del primo ordine con ritardo...203 7.3.3 Processi del secondo ordine con ritardo...205 7.3.4 Cancellazione dei poli del processo...205 7.3.5 Processi integrali...206 7.3.6 Doppio integratore...206 7.4 Taratura manuale e automatica...207 7.4.1 Metodi basati sullo studio della risposta allo scalino... 207 7.4.2 Metodi basati sulla risposta in frequenza...212 7.4.3 Metodi di stima parametrica...218 7.4.4 Controllo adattativo...220 7.4.5 Tecniche di autotaratura e controllo adattativo nei regolatori commerciali...226 7.5 Problemi implementativi...227 7.5.1 Wind-up dell integratore...227 7.5.2 Commutazione manuale/automatico e automatico /manuale...230 7.6 Realizzazione digitale...231 7.6.1 Equivalenti discreti dei regolatori PID...231 7.6.2 Pseudocodice di un regolatore PID...233 7.6.3 Scelta della frequenza di campionamento...236 7.7 Altre funzioni...239 7.7.1 Elaborazioni sui segnali di misura...239 7.7.2 Allarmi e autodiagnostica...239 7.7.3 Interfaccia verso l operatore...240 7.7.4 Funzioni ausiliarie...241 7.7.5 Classificazione dei prodotti commerciali...241 7.8 Problemi...243 8 Strutture di controllo 245 8.1 Introduzione...245 8.2 Controllo in cascata...245 8.2.1 Progetto...247 8.2.2 Applicazioni tipiche...248 8.3 Controllo in andata (feedforward)...252 8.3.1 Compensazione del disturbo...253 8.3.2 Azione diretta (anticipo) dal setpoint...253 8.4 Predittore di Smith...256 8.5 Elementi non lineari...259
Indice IX 8.5.1 Limitatori...259 8.5.2 Controllo con selettore...260 8.5.3 Controllo di rapporto...260 8.5.4 Controllo split-range...264 8.6 Controllo multivariabile...265 8.6.1 Controllo non interagente...268 8.7 Problemi...270 9 Controllo del moto 271 9.1 Pianificazione del moto...271 9.1.1 Generalità...271 9.1.2 Moto punto-punto...273 9.1.3 Messa in scala di traiettorie...282 9.1.4 Moto su percorso assegnato...284 9.2 Organi di trasmissione del moto...289 9.2.1 Funzione dell organo di trasmissione...289 9.2.2 Harmonic Drive...292 9.2.3 Elasticità torsionale...294 9.2.4 L attrito...295 9.2.5 Modello del carico...299 9.2.6 Dimensionamento...299 9.3 Controllo di posizione e velocità...303 9.3.1 Introduzione...303 9.3.2 Ruolo della dinamica elettrica...304 9.3.3 L approssimazione rigida...305 9.3.4 Controllo P/PI di posizione e velocità...306 9.3.5 Il modello elastico...312 9.3.6 Controllo con misure solo lato motore...319 9.3.7 Controllo con misure lato carico...328 9.3.8 Schemi avanzati di controllo...333 9.4 Controllo del moto con attuatori idraulici...353 9.4.1 Premessa...353 9.4.2 Accoppiamento rigido pistone-carico...354 9.4.3 Accoppiamento elastico pistone-carico...360 9.4.4 Considerazioni conclusive...364 9.5 Problemi...365 10 Sistemi elettronici per il controllo 369 10.1 Introduzione...369 10.1.1 Funzioni di un sistema di controllo ed automazione...369 10.1.2 Componenti e prodotti per i sistemi di controllo...371 10.1.3 Architetture dei sistemi di controllo di processo...372 10.1.4 Esempio 1: architettura di un controllore numerico...377 10.1.5 Esempio 2: architettura di un sistema di controllo avionico...379 10.2 Elementi di comunicazioni digitali per i sistemi di controllo...381
X Indice 10.2.1 Collegamento fisico...382 10.2.2 Standard per i livelli 1 e 2...383 10.3 Fieldbus...392 10.3.1 FOUNDATION Fieldbus...393 A Specifica e documentazione dei sistemi di controllo 399 A.1 Diagrammi P&I...399 A.1.1 Modalitàdiidentificazione degli strumenti...399 A.1.2 Simboli grafici...402 A.1.3 Dettaglio dei diagrammi P&I...407 A.2 Esempi di fogli di specifica di valvole e sensori...407 B Amplificatori e collegamenti di massa 413 B.1 Amplificatori operazionali...413 B.2 Amplificatori da strumentazione...416 B.3 Amplificatori d isolamento...418 B.4 Note sui collegamenti di massa e terra...423 Bibliografia 426