Fondamenti dei Sistemi di Controllo: Tecniche e Dispositivi

Sistema di Controllo

Un insieme razionale e sistematico di attrezzature e di intervento umano che può manipolare il sistema controllato. Esso mira ad eliminare l'influenza dei disturbi, garantire la stabilità del processo e ottimizzare il processo stesso.

Tecniche di Controllo Automatico (Regolazione)

Tecniche di Base

Basate sul controllo Feed-back (retroazione o anello chiuso):

• Proporzionale
• Derivativo (non agisce da solo)
• Integrale (non agisce da solo)
• Miste: PI, PD, PID
• Tutto o niente (On/Off)
• Flottante
• Proporzionale nel tempo
• ecc.

Tecniche Avanzate

Basate su strategie di controllo che possono utilizzare strumenti analogici per la loro esecuzione, ma richiedono un trattamento digitale delle informazioni. Nel controllo avanzato, la stabilità è raggiunta e le interconnessioni (ties) sono più complesse.

Tecniche comuni:

• A cascata
• Selettiva
• Feed-forward (avanti di alimentazione)
• Rapporto
• Altre

Controller

Controller Analogici Classici

È costituito da un comparatore e dal controller (driver) stesso. Ha ingressi e uscite analogiche (pneumatiche o elettriche). Il comparatore riceve due segnali: uno è il set point (valore desiderato) e l'altro è la misura della variabile controllata. Da qui deriva un segnale analogico che rappresenta l'errore del sistema. Questo segnale di errore entra nel controller, il quale genera una risposta (output) proporzionale, integrale o derivativa all'errore, agendo su un elemento finale di controllo. I controller analogici presenti sul mercato hanno tipicamente una scala da 0 a 100, sulla quale si imposta il set point e si visualizza la misura rilevata nel sistema.

Controller Digitali

Utilizzano un microprocessore come elemento di controllo. L'elaborazione del segnale in ingresso e l'uscita sono completamente digitali. A volte è necessario interfacciare componenti analogici; a tal fine si utilizzano convertitori analogico-digitale (ADC) per l'ingresso e digitale-analogico (DAC) per l'uscita.

Vantaggi dei controller digitali:

• L'azione di controllo è realizzata tramite algoritmi (formule) contenuti nel loro software, offrendo flessibilità.
• Possibilità di controllare molti processi indipendenti tramite multiplexing.
• Offrono generalmente una maggiore precisione.

Caratteristiche Tipiche di un Controller Digitale:

• Un selettore per la modalità Manuale/Automatico.
• La possibilità di selezionare l'azione (diretta/inversa) o di programmare l'algoritmo di controllo.

Un sistema di controllo digitale collega il microprocessore, la memoria e le periferiche mediante:

• Bus dati
• Bus indirizzi
• Bus di controllo

Ritardo nel Controllo

Il ritardo (delay) è il tempo necessario affinché il sistema fornisca la risposta desiderata a seguito di una variazione nel processo, poiché la risposta non è mai immediata.

Controllo On/Off (Tutto o Niente)

È il modo più semplice di controllare, inviando un segnale dal controller per attivare o disattivare completamente l'azione di regolazione sul processo, tenendo conto soltanto della presenza o assenza di errore rispetto al set point.

In un processo chimico, ad esempio, un'oscillazione nella variabile controllata porta l'elemento finale (es. valvola) ad aprirsi o chiudersi completamente, a seconda di come è stato progettato il sistema per il controllo della variabile (azione diretta o inversa).

Con questo tipo di controller, anche una piccola deviazione dall'intorno del set point provoca un'azione completa (tutto o niente) sull'elemento finale da regolare.

Riassumendo, il controller tutto o niente funziona in modo soddisfacente se il processo ha una reazione lenta e presenta un ritardo minimo.

Esiste un controller tutto o niente a due stati (on/off) che permette o impedisce il passaggio di corrente, ad esempio.

Controllo Flottante

È una variante del controller tutto o niente.

Si tratta di un regolatore a velocità costante: sposta l'elemento finale di controllo a una velocità fissa, indipendentemente dall'entità della deviazione (errore).

Vantaggio: Compensa le variazioni di carico lente e graduali nel processo, modificando la posizione della valvola.

Svantaggio: Non è adatto in presenza di ritardi significativi o variazioni di carico rapide.

Questa forma di controllo tende a produrre oscillazioni nella variabile controllata, ma queste possono essere minimizzate scegliendo opportunamente la velocità di intervento dell'elemento finale (es. valvola) per adattarsi alle caratteristiche del processo.