Principi teorici sui controlli automatici Generalità sull Automazione Il termine automazione si fa risalire all espressione automatic operation (conduzione automatica). Sistema AUTOMATICO AUTOMATICO è un sistema che funziona senza l intervento di operatori. Gli impianti elettrici sono molto adatti al funzionamento automatico, pertanto lo sviluppo dell automazione della nave è andato di pari passo con la sua elettrificazione. Automatizzazione L Automatizzazione è l applicazione di semplici automatismi con funzioni limitate. Per esempio sono automatismi: il controllo termostatico di un frigorifero o di un forno; i regolatori di livello in caldaia, di giri di un motore, della tensione di un generatore, ecc. Generalità sull Automazione Automazione: Conduzione automatica di macchinari del genere più svariato, il cui corretto funzionamento è affidato alla supervisione di adatti dispositivi di controllo che svolgono le mansioni che dovrebbero essere svolte in alternativa da personale tecnico. Generalità sull Automazione L automazione controlla un elevatissimo numero di attività lavorative, soprattutto nel campo industriale e dei trasporti e si va estendendo a quasi tutti gli aspetti della vita moderna. Tutte queste operazioni di controllo sono dette processi. Generalità sull Automazione Processo In questo corso per processo si intende un insieme di trasformazioni energetiche, chimiche e tecnologiche volte a conseguire un determinato risultato. Generalità sull Automazione Sistema Il termine sistema ha un significato più ampio, potendo comprendere sia un singolo processo, sia un insieme di processi, sia parti di un processo, o le stesse apparecchiature nelle quali i processi si realizzano, (ad es., sistema nave). Controllare un sistema (o un processo) significa dunque agire sul valore di alcune grandezze fisiche che intervengono sull andamento del sistema stesso, e che chiameremo variabili di ingresso, in modo che altre grandezze (variabili di uscita) acquistino l andamento desiderato. Generalità sull Automazione Un sistema (o un processo) può essere rappresentato in uno schema a blocchi, come in figura, in cui sono state messe in evidenza le variabili di ingresso e di uscita. 1 mod 2 controlli automatici.doc pag. 1 Prof. S. Patti
Il verso delle frecce riveste significato perché indica il verso in cui agisce la variabile (entrante o uscente dal processo). La scelta delle variabili di ingresso e di uscita da prendere in considerazione dipende dal particolare punto di vista che ci guida nell esame del sistema. Se un sistema è scomponibile in due (o più) sottosistemi, l uscita di uno può diventare l ingresso di un altro. Un tipo particolare di variabile di ingresso è costituito dai disturbi, cioè grandezze fisiche capaci di influire sul processo con le loro variazioni non desiderate. L automazione dei processi consiste nel predisporre una metodologia che presieda al loro funzionamento in modo da costringere le variabili di uscita a seguire un andamento assegnato, senza l intervento di operatori. Le funzioni assegnate consistono nel mantenere costanti le variabili di uscita o nell imporre loro determinate variazioni nel tempo: ad es. la tensione di un alternatore deve essere sempre costante; il trattamento tecnico di un pezzo metallico in un forno deve svolgersi in una determinata successione di fasi a temperature diverse. In generale controllare un processo vuol dire agire sugli ingressi in modo tale che le uscite assumano valori il più possibile vicini a quelli desiderati. Il controllo può effettuarsi sotto forma di comando o di regolazione. Nel comando si interviene manualmente o da parte dell automatismo sulle grandezze di ingresso per ottenere determinate modifiche delle grandezze di uscita. Nella regolazione viene imposto alle grandezze di uscita di mantenere nel tempo i valori desiderati. Es. alternatore Come variabili di ingresso abbiamo la coppia motrice del motore primo e l intensità della corrente di eccitazione. Variabili di uscita sono la tensione ai morsetti e la frequenza. Disturbi potrebbero essere le variazioni di carico, il fattore di potenza, l intensità di corrente e la temperatura. CONTROLLO PRINCIPI DI AUTOMAZIONE Per CONTROLLO si intende, quindi, l insieme delle azioni, che fanno variare nel modo voluto una o più grandezze di processo. 1 mod 2 controlli automatici.doc pag. 2 Prof. S. Patti
La teoria del controllo permette di definire e calcolare tali azioni, ma prescinde da come siano prodotte, cioè se da un operatore o in modo automatico. CLASSIFICAZI0NE DEI SISTEMI DI CONTROLLO Controllo di processo: è l insieme delle operazioni mediante le quali le grandezze, che intervengono nel processo, assumono nel tempo un andamento definito, indipendentemente da eventuali fattori esterni incontrollabili che agiscono in modo perturbativo sul sistema (disturbi). Sistema di controllo: un qualsiasi sistema fisico che consente di variare o mantenere costante la grandezza d uscita (grandezza controllata) in funzione alla grandezza d ingresso (grandezza di riferimento). CONTROLLO PER REGOLAZIONE Si può avere un controllo manuale od un controllo automatico Il Controllo manuale è effettuato direttamente dall operatore Il controllo automatico è interamente affidato a strumenti. Nel distinguere fra controllo per comando e per regolazione, non è facile attribuire l uno o l altro carattere al controllo manuale: esso infatti di per sé sarebbe un comando, ma l operatore, seguendo l evolversi della situazione, modula il comando stesso ed effettua in sostanza una regolazione. I sistemi di controllo possono classificarsi in: Sistemi ad anello aperto Sistemi ad anello chiuso Sistemi ad anello aperto Il Controllo a catena aperta (detto anche ad anello aperto o, in inglese, open-loop control) è tipico di una regolazione non automatica. Il segnale di riferimento è generalmente predeterminato, ed il controllore, in risposta al segnale di riferimento, agisce sull impianto in modo tale da far raggiungere alla grandezza in uscita il valore desiderato. Caratteristica essenziale di questi sistemi è che, non operando alcuna verifica sulla grandezza in uscita, non sono in grado di controllarne completamente il suo comportamento e quindi di autoregolarsi. e REGOLATORE PROCESSO u r(t) = posizione manopola di regolazione gas del forno u(t) = temperatura forno 1 mod 2 controlli automatici.doc pag. 3 Prof. S. Patti
r(t) FORNO u(t) Prendiamo come esempio di un sistema a catena aperta un forno a gas, come quello domestico; da questo punto di vista il forno è un sistema che serve a controllare la temperatura (grandezza controllata), mediante il posizionamento di una manopola graduata (segnale di riferimento) che regola l erogazione del gas al bruciatore relativa alla temperatura da raggiungere. E evidente che una variazione della erogazione del gas oppure una parziale ostruzione degli ugelli del bruciatore, comporterebbe un cambiamento della risposta del sistema ed il semplice posizionamento della manopola non ci darebbe più alcuna certezza sulla temperatura che verrà raggiunta. Appare evidente, quindi, che un sistema a catena aperta è sensibile sia alle variazioni dei parametri, sia ad eventuali segnali di disturbo. L operatore controlla attraverso gli strumenti il valore della variabile di uscita e, se percepisce delle variazioni, interviene in modo opportuno sulla variabile di ingresso, così da ripristinare la condizione funzionale desiderata. Naturalmente con la catena aperta si attua anche il controllo manuale per comando. Sistemi ad anello chiuso Per eliminare le problematiche dei sistemi a catena aperta, si utilizzano i sistemi di regolazione automatica, detti anche sistemi di controllo a catena chiusa. Riprendiamo l esempio precedente relativo al forno a gas e supponiamo di potere rilevare la temperatura del sistema mediante un termometro, di leggere tale valore e di intervenire sulla manopola aumentando o diminuendo il flusso di gas in funzione della temperatura misurata. uomo Manopola Gas Forno Termometro In un sistema a catena chiusa quindi si possono distinguere: 1. Sistema di controllo a catena aperta, comprensivo dei dispositivi di comando e del sistema da controllare 1 mod 2 controlli automatici.doc pag. 4 Prof. S. Patti
2. Blocco di reazione o feedback (termometro) che ha il compito di prelevare la grandezza controllata fornendo un segnale di reazione ad essa sostanzialmente proporzionale ma non necessariamente omogenea: normalmente è un trasduttore 3. Blocco di confronto (uomo) che elabora il segnale di riferimento e quello di reazione ed opera l opportuna azione correttrice. 4. Questo sistema rappresenta una configurazione a catena chiusa, in quanto la grandezza in uscita (temperatura) fa sentire la sua influenza al nodo di controllo (uomo) che agisce sull ingresso (manopola). L automazione del sistema richiede la sostituzione dell azione dell uomo con quella di un opportuno dispositivo. Controllo automatico Un controllo automatico viene quindi instaurato in un processo quando il processo stesso viene corredato di apparecchiature che consentono di autoregolarsi, ossia di porre rimedio con i propri mezzi, senza l intervento di operatori, agli effetti devianti dei disturbi. Questa condizione di autoregolazione si verifica nel controllo a catena chiusa (o controllo ad anello chiuso: closed -loop control). e + ε REGOLATORE PROCESSO u r TRASDUTTORE u Come mostra lo schema, l uscita u del processo viene prelevata da un trasduttore che ne effettua la misura, emettendo un segnale di retroazione r (feedback) ad essa proporzionale. Tale segnale r viene diretto ad un nodo di confronto dove si fa la differenza col segnale di riferimento, e, corrispondente al comando imposto al sistema. Il risultato della sottrazione è il segnale errore ε che costituisce l ingresso nel regolatore. Il segnale di riferimento rappresenta il valore che deve assumere il segnale di retroazione quando il funzionamento del processo è conforme a quanto desiderato. Dal nodo di confronto esce perciò, in queste condizioni, un valore nullo del segnale di errore ε ed il regolatore emette un segnale di valore tale da assicurare alla grandezza regolata u il mantenimento del valore u 0 desiderato (set-point). Spesso la denominazione di set-point è data anche al segnale e: infatti la proporzionalità fra u ed r comporta che per u = u 0 debba risultare r 0 = e (ε=0). L effetto di retroazione costituisce l aspetto saliente del controllo in catena chiusa. 1 mod 2 controlli automatici.doc pag. 5 Prof. S. Patti
Infatti il ritorno del segnale di uscita sull ingresso del processo è la causa dell autoregolazione e quindi della regolazione automatica. Nella catena chiusa l organo regolatore riceve in ingresso non più un segnale costante nel tempo (come sarebbe nel controllo a catena aperta in assenza dell operatore), ma variabile in modo tale da opporsi alle escursioni del segnale di uscita u, determinate dai disturbi. Così, se ad esempio ci riferiamo ad un caso intuitivo, quale è quello di una regolazione che assicura la proporzionalità fra i segnali di ingresso e di uscita ed immaginiamo un aumento dell uscita, la retroazione fa diminuire il segnale di ingresso nel regolatore, ossia provvede in modo automatico a creare le condizioni per contrastare l aumento suddetto. Ed analogamente, se diminuisse l uscita, si avrebbe un rafforzamento dell ingresso; la catena chiusa, cioè, si opporrebbe alla diminuzione. Controllo per regolazione I sistemi di controllo ad anello chiuso o catena chiusa possono suddividersi a loro volta come segue: 1. Sistemi autoregolati a valore fisso (o regolatori). 2. Sistemi di regolazione a valore asservito, detti anche servosistemi o asservimenti. 3. Sistemi di regolazione a valore programmato Sistemi autoregolati a valore fisso (o regolatori). Consentono di mantenere ad un valore costante la grandezza controllata (come nell esempio della dinamo, oppure nel caso di un alimentatore stabilizzato in tensione). Sistemi di regolazione a valore asservito. detti anche servosistemi o asservimenti, consentono che la grandezza controllata (o d uscita) vari nel tempo con legge imposta da un segnale di comando (o d ingresso) in modo che la relazione che lega il primo [e(t)], al secondo [u(t)], sia del tipo: e(t)=k u(t) con K costante, dipendente dal sistema. Sistemi di regolazione a valore programmato Sistemi di controllo a valore programmato sono quelli per i quali la grandezza controllata assume nel tempo valori che variano secondo un programma predeterminato. Sistemi di regolazione a valore programmato Fra i sistemi di regolazione a valore programmato ricordiamo le saldatrici elettriche, controllate elettronicamente, nelle quali per realizzare le diverse fasi di lavoro, cioè preriscaldamento, saldatura e ricottura, è necessario che la temperatura vari con una programmata legge nel tempo. Sistemi di regolazione a valore programmato Si usa invece la parola servomeccanismo per quei sistemi di regolazione automatica, in cui la grandezza controllata è di natura meccanica (velocità di rotazione di un albero, posizione angolare ecc.). Sistemi di controllo feed-forward o di previsione 1 mod 2 controlli automatici.doc pag. 6 Prof. S. Patti
Nei sistemi di controllo feed-forward, a differenza di quelli a catena chiusa nei quali è misurata direttamente la grandezza controllata, sono misurati i disturbi ed il controllore agisce in modo da prevenire gli effetti dovuti disturbo alla loro azione (fig. 3). Riferendoci sempre al caso del forno, sappiamo che la temperatura ambiente può influenzare il corretto funzionamento del sistema, ebbene il trasduttore di temperatura, che costituisce il blocco di reazione, rileva tale temperatura e il segnale generato dal blocco di confronto agisce sul controllore (equivalente della manopola) in modo da prevenire la variazione della temperatura del forno (grandezza controllata) dovute alle variazioni della temperatura ambiente (disturbo). Sistemi microprocessore I sistemi di controllo a microprocessore sono quelli che utilizzano un elaboratore o un sistema a microprocessore. I sistemi di controllo a microprocessore trovano applicazione nei processi di lavorazione industriale o, in generale, in tutti quelle condizioni che necessitano di una serie di operazioni che, per la loro complessità, non possono essere svolte da un sistema analogico. in fig.4 è riportato lo schema a blocchi di un sistema di controllo gestito da un sistema a microprocessore; il circuito di reazione è costituito da più trasduttori e da un convertitore A/D a più 1 mod 2 controlli automatici.doc pag. 7 Prof. S. Patti
ingressi che ha il compito di convertire le grandezze analogiche in digitali affinché possano essere acquisite dall elaboratore che, mediante un programma definito dall utente, li elabora e li confronta con i corrispondenti valori di riferimento, memorizzati in un opportuna area di memoria ed introdotti dall operatore tramite tastiera Il risultato del confronto svolto dal controllore digitale determina l invio di opportuni segnali digitali ai convertitori D/A che li trasformano in segnali analogici affinché possano essere applicati al processo. Elementi di un sistema di controllo Il sistema o complesso controllato, è rappresentato in fig con la lettera C, che è l elemento che fornisce la grandezza controllata u(t). Poiché in genere alla grandezza controllata è associata una certa potenza, il sistema controllato deve essere in grado di fornire la potenza richiesta. Nel caso, ad esempio, che la grandezza controllata sia una tensione, il sistema controllato sarà una dinamo o un alternatore, se è una velocità sarà un motore, se è una temperatura potrà essere un forno e così via. Elementi di un sistema di controllo Il segnale all entrata del complesso controllato che permette di modificare la grandezza controllata in fig. è indicato con i(t) prende il nome di segnale di regolazione normalmente anche al segnale di regolazione è associato un certo livello di potenza. Tale segnale di solito non può essere il segnale di comando e(t) perché quasi sempre il suo livello di potenza è molto basso. Quindi di solito il segnale di comando e(t) non può essere perché non ha la potenza necessaria richiesta da i(t), allora è necessario che sia fornito da un insieme di elementi indicati in fig con A e B che 1 mod 2 controlli automatici.doc pag. 8 Prof. S. Patti
costituiscono il Complesso di regolazione, allora è necessario che sia fornito da altri elementi che in fig sono indicati con A e B che costituiscono il Complesso di regolazione b) il Complesso di regolazione è composto da diversi stadi amplificatori che operano sul segnale differenza d(t)=e(t)-f(t) ottenuto dal confronto fra il segnale di comando e(t) e quello di reazione f(t). f(t) è proporzionale alla grandezza regolata e prende il nome di segnale di reazione, mentre e(t) nel caso della regolazione viene anche chiamato segnale di riferimento. Il segnale differenza d(t) viene manipolato dal complesso di regolazione e trasformato nel segnale di regolazione. c) Generatore del segnale di reazione. Il Generatore del segnale di reazione è l elemento che fornisce il segnale di reazione f (t), avendo in ingresso la grandezza regolata u (t). Tale elemento è spesso un trasduttore in quanto deve manipolare la grandezza controllata, in modo da fornire un segnale dipendente dalla u (t) ma spesso di diversa natura e tale che sia omogeneo al segnale di comando e(t). Ad esempio nel caso di un controllo di velocità, se il segnale di riferimento e(t) è una tensione elettrica, il generatore del segnale di reazione potrà essere una dinamo tachimetrica, ad eccitazione costante, collegata meccanicamente al motore di cui si vuol controllare la velocità, in modo che possa fornire ai suoi morsetti una tensione proporzionale alla velocità di rotazione; tale dinamo tachimetrica ha come ingresso un segnale di velocità e come uscita un segnale di tensione proporzionale al primo, cioè è in grado di trasformare un segnale di velocità in uno di tensione. d) Generatore del segnale di comando. È l elemento che fornisce il segnale di riferimento o di comando e(t). 1 mod 2 controlli automatici.doc pag. 9 Prof. S. Patti
Normalmente la potenza erogata dal generatore è piuttosto modesta, perché dovendo fornire un segnale avente caratteristiche ben determinate ed entro stretti limiti di tolleranza, tale elemento risulta tanto più costoso quanto maggiore è la potenza che deve erogare. È da notare che il generatore del segnale di comando è un elemento esterno alla catena di regolazione. e) Elemento di confronto. È di solito l elemento in cui viene effettuata la differenza fra il segnale di comando e quello di reazione; esso è caratterizzato dall avere due ingressi e(t) e f(t) e un uscita d(t). La linea d azione L insieme del complesso di regolazione e del sistema regolato costituiscono la linea d azione o di andata. Linea di azione o di andata Linea di reazione o di ritorno Il generatore del segnale di reazione fa parte della linea di reazione o di ritorno. L anello di regolazione L insieme delle due linee, d azione e di reazione, costituisce l anello di regolazione. Regolatore L insieme degli elementi aggiunti al sistema controllato per effettuare la regolazione, prende il nome di regolatore. Esso è costituito dal generatore del segnale di riferimento, da quello del segnale di reazione e dall elemento di confronto e dal complesso di regolazione. 1 mod 2 controlli automatici.doc pag. 10 Prof. S. Patti