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PREMESSA
In questa lezione analizziamo l’architettura dei sistemi di controllo automatico che permettono di
tenere sotto controllo le condizioni di un processo produttivo al fine di ottimizzare la qualità del
prodotto.
CONCETTI DI BASE DEL CONTROLLO AUTOMATICO
Si definisce Sistema “un gruppo o un insieme di oggetti riuniti da qualche interazione regolare o da
una mutua dipendenza per realizzare un determinato fine” (Shannon).
Il termine sistema si riferisce ad un ente (fisico) che genera uscite in risposta a stimoli in ingresso.
Ingressi
I
S I S T E M A
Uscite
U
Le grandezze utilizzate dal sistema sono chiamate variabili, e il cambiamento delle variabili nel
tempo dà luogo a segnali.
La qualità del prodotto ottenuto da un determinato processo produttivo è strettamente legato alle
condizioni che si verifica durante la sua lavorazione. E’ fondamentale, perciò, che queste condizioni
siano tenute sotto controllo.
Parlando di Sistemi di controllo automatico bisogna distinguere bene tra comando, regolazione e
controllo.
Con il termine comando si indica una azione mirata ad ottenere un determinato effetto. Con
controllo si indica una azione mirata a verificare la presenza dell’effetto desiderato a seguito di un
comando impartito. Con regolazione si indica una azione mirata ad ottenere prefissati valori delle
specifiche grandezze caratteristiche di un processo.
Un processo pertanto si dirà regolato automaticamente quando è presente un sistema in grado di
determinare il valore di una o più grandezze fisiche caratteristiche del processo e ad agire sul
processo stesso in modo da far assumere a tali grandezze un valore costante prefissato di riferimento.
Si dirà controllato automaticamente quando l’azione del sistema permetterà di far assumere a tali
grandezze valori variabili nel tempo secondo leggi prefissate.
Si può considerare come semplice esempio il caso di un circuito elettrico composto da un
interruttore in serie con un potenziometro in grado di accendere una lampadina. In tale circuito
l’interruttore svolgerà l’azione di comando (accensione/spegnimento), il potenziometro svolgerà
l’azione di regolazione (variando l’intensità luminosa) e la persona che agirà sull’interruttore
effettuerà il controllo (manuale e non automatico in questo caso). Potendo inserire anche un sensore
in grado di rilevare la luce emessa dalla lampada si potrà realizzare anche un controllo di tipo
automatico.
Nei sistemi di controllo automatico il valore realmente assunto dalla grandezza controllata tende a
discostarsi dal valore di riferimento a causa della variabilità di alcuni parametri non controllabili
detti disturbi. La differenza tra i due valori viene indicata con il termine di errore.
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Per realizzare un controllo automatico il sistema dovrà ciclicamente effettuare le seguenti
operazioni:
- acquisire i dati del processo, ovvero misurare le grandezze caratteristiche del processo
- effettuare un trattamento dei dati di ingresso per renderli compatibili con l’apparecchiatura
che li dovrà elaborare
- elaborare i dati acquisiti per permettere al sistema di controllo di assumere le decisioni
relative ai segnali da inviare agli attuatori
- effettuare un trattamento dei dati in uscita per renderli compatibili con il gruppo di attuazione
dei comandi
- eseguire i comandi per mezzo degli attuatori in modo da intervenire sul processo.
Le operazioni indicate sopra sono svolte nell’ordine da:
- sensori di misura
- unità di trattamento dati input
- unità di elaborazione dati
- unità di trattamento dati output
- attuatori
come nello schema riportato sotto.
OUT
TRATTAMENTO
DATI (OUTPUT)
ATTUAZIONE
COMANDI
IN
ELABORAZIONE
DATI
ATTUATORI
PROCESSO
(CAMPO)
SENSORI
TRATTAMENTO
DATI (INPUT)
ACQUISIZIONE
DATI
L’acquisizione dei dati dal campo viene effettuata dai trasduttori di misura, questi possono essere
di diverso tipo a secondo della grandezza da misurare e del tipo di segnale fornito. La grandezza
fisica misurata sarà, infatti, trasformata in un segnale di tipo elettrico che andrà successivamente
condizionato (trattato) prima di essere inviato al sistema di controllo. Quando lo stesso elemento
effettua sia la misurazione che il condizionamento prende il nome di trasduttore.
I trasduttori di misura saranno oggetto di una lezione successiva ma per poter avere una idea delle
tipologie di ingressi ed uscite presenti in questi dispositivi si possono osservare i diagrammi
ingresso-uscita dei sensori più comuni riportati nella tabella sottostante:
TEMPERATURA
RESISTENZA
TERMISTORE
TEMPERATURA
VELOCITA’ DI
ROTAZIONE
TERMOCOPPIA
DINAMO TACHIMETRICA
TENSIONE
TENSIONE
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POSIZIONE
ANGOLARE
POTENZIOMETRO
POSIZIONE
ANGOLARE
ENCODER
TENSIONE
SEGNALE
DIGITALE
I sistemi di controllo automatico si possono classificare in base alla loro struttura costruttiva in:
- sistemi di controllo ad anello aperto (o catena aperta)
- sistemi di controllo ad anello chiuso (o catena chiusa).
L’elemento discriminante tra le due tipologie è la presenza o meno della retroazione (feed-back).
Un controllo che non si basa sulla misura continua del valore assunto dalla variabile su cui si esercita
il controllo costituisce un sistema ad anello aperto. Questo sistema non verifica il risultato ottenuto.
COMANDO
(INPUT)
SISTEMA DI CONTROLLO
USCITA
(OUTPUT)
Il meccanismo che rileva con continuità il valore della grandezza controllata e lo invia al
controllore costituisce la retroazione. Questo meccanismo consente al sistema di controllo di valutare
l’errore e reagire cercando di ridurlo.
SEGNALE DI
INPUT
+
SISTEMA DI CONTROLLO
USCITA
TRASDUTTORE
I segnali che un sistema di controllo deve gestire possono essere di due categorie:
- segnali analogici
- segnali digitali.
I segnali si definiscono analogici quando possono assumere qualsiasi valore tra due limiti; digitali
quando possono assumere solo un numero discreto di valori con intervalli di variazione tutti uguali. I
segnali binari sono un caso particolare di segnale digitale.
Nei casi in cui nello stesso sistema si debbano collegare elementi di diversa tecnologia o potenza
occorrerà utilizzare degli opportuni convertitori di segnale.
Il segnale analogico può essere convertito in segnale digitale con la tecnica del campionamento,
ovvero misurando il valore del segnale analogico in diversi istanti di tempo. L’intervallo tra un
istante ed il successivo è detto tempo di campionatura. Tra due intervalli di tempo il segnale è
considerato costante. La conversione ha una precisione maggiore al ridursi del tempo di
campionatura.
Le prestazioni di controllo automatico possono essere valutate facendo riferimento a:
- precisione
- velocità di risposta
- stabilità
- sensibilità.
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La precisione di un sistema permette di valutare la capacità del sistema di mantenere il valore
dell’uscita più vicino possibile al valore di riferimento. Viene espresso tramite l’errore percentuale.
Definendo come ingresso permanente di un sistema un segnale del tipo seguente:
costante: ingresso a gradino
I
funzione lineare: rampa lineare
I
t
funzione parabolica:rampa parabolica
I
t
funzione periodica:
es. sinusoidale
t
si può anche dire che un sistema sottoposto ad un'entrata permanente dopo un certo tempo avrà
un'uscita dello stesso tipo, e si dice che il sistema è in regime permanente o forzato.
Se la grandezza di uscita assume il valore voluto, si ha un errore nullo a regime. Viceversa se la
grandezza di uscita non raggiunge esattamente il valore voluto, la differenza si definisce errore a
regime, errore statico o deviazione statica.
Il comportamento di un sistema tra due situazioni di regime permanente di definisce regime
transitorio.
Si definisce tempo di risposta di un transitorio, il tempo necessario affinché l'uscita del sistema
entri definitivamente entro una fascia del 5% intorno al valore dell'uscita permanente.
I regimi transitori possono essere:
A smorzamento critico: il tempo risposta (transitorio) è il più piccolo
possibile senza che il segnale superi il corrispondente valore dell'uscita
permanente.
U
Sovrasmorzati: il tempo risposta è superiore al precedente
t
Sottosmorzati: il tempo di risposta è più piccolo di quello critico, ma il
regime permanente viene raggiunto mediante oscillazioni.
U
t
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I tre regimi transitori sono riportati contemporaneamente nel diagramma riportato sotto:
La velocità di risposta di un sistema di controllo indica la capacità del sistema di raggiungere nel
minor tempo possibile la nuova condizione di equilibrio.
La stabilità indica, invece, la capacità del sistema di raggiungere una nuova condizione di
equilibrio senza dar origine ad oscillazioni permanenti o di ampiezza crescente.
La sensibilità è il più piccolo valore della variazione dell’ingresso che provoca una variazione
dell’uscita.
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