Ingegneria di Controllo: Fondamenti, Storia e Applicazioni

Che cos'è il controllo?

È l'azione o l'effetto di decidere sullo sviluppo di un processo o di un sistema. Può anche essere inteso come la manipolazione di alcune variabili per far sì che esse, o altre variabili, agiscano nella forma desiderata.

Che cos'è l'ingegneria di controllo?

Si tratta di un approccio interdisciplinare al controllo di sistemi e dispositivi. Combina aree come l'ingegneria elettrica, elettronica, meccanica, chimica, di processo e la teoria matematica, tra le altre.

Sottodiscipline (per tipo di controllo)

• Controllo ad anello aperto
• Controllo ad anello chiuso
• Controllo di regolazione (controllo del set-point) per mantenere costante qualcosa
• Monitoraggio di traiettorie (seguire qualcosa che cambia, con l'errore minimo)

Sottodiscipline (per tipo di teoria)

• Controllo lineare (per sistemi molto piccoli, facile da usare)
• Controllo non lineare (per sistemi complessi, molto efficace)
• Controllo ottimo (cerca la migliore soluzione per un vincolo)
• Controllo robusto (migliori prestazioni in presenza di disturbi)

Definizioni

• Sistema: è una combinazione di componenti che lavorano insieme per raggiungere un determinato obiettivo. Il concetto di sistema può essere applicato a fenomeni fisici, biologici, economici, sociali e altri.
• Variabile controllata (output): è la quantità o la condizione che viene misurata e controllata.
• Variabile manipolata: è la variabile che si modifica per incidere sulla variabile controllata.
• Processo: è lo sviluppo naturale di un evento, caratterizzato da una serie di eventi o cambiamenti graduali, continui e che tendono progressivamente a un risultato finale.
• Impianto: insieme di macchinari progettati per eseguire alcune attività insieme. Nei sistemi di controllo, impianto significa il sistema da controllare.
• Disturbo: un disturbo è un qualsiasi evento che influisce negativamente sullo sviluppo di un processo. Se il disturbo viene generato all'interno del sistema, si chiama disturbo interno, altrimenti il disturbo è esterno.
• Sistema di controllo ad anello aperto: è un sistema di controllo in cui l'uscita non ha alcun effetto sulle azioni di controllo. L'uscita può essere o non essere misurata, ma questa misura non pregiudica il controllore.
• Controllo a retroazione: questa operazione tende a mantenere un rapporto prescritto tra una variabile di un sistema e un'altra, confrontando queste funzioni e utilizzando le loro differenze come mezzo di controllo.
• Sistema di controllo a retroazione: è un sistema di controllo che utilizza una relazione tra la variabile di uscita e una variabile di riferimento come mezzo di controllo.

Storia del controllo automatico

Le prime applicazioni risalgono ai meccanismi di regolazione con galleggiante in Grecia.

Ktesibius

Costruì l'orologio ad acqua intorno al 250 a.C. È considerato il primo sistema di controllo automatico della storia.

Erone di Alessandria (100 d.C.)

Pubblicò un libro intitolato Pneumatica che descrive diversi meccanismi di regolazione del livello dell'acqua con galleggiante.

Età moderna in Europa

Il primo sistema di controllo a retroazione fu costruito dall'olandese Cornelis Drebbel (1572-1634) intorno al 1618. Si trattava di un'incubatrice con un esplicito sistema di retroazione per regolare la temperatura. Il lavoro fu svolto in Inghilterra. Ma l'opera più significativa di Drebbel fu il primo sottomarino nel 1620, dove utilizzò anche sistemi di retroazione.

Il francese Denis Papin (1647-1712) inventò nel 1681 il primo regolatore di pressione per le caldaie a vapore.

Tuttavia, il primo lavoro significativo nel controllo automatico a retroazione con regolatore centrifugo fu quello di James Watt, sviluppato nel 1769.

In Russia, si sostiene che il primo sistema di controllo sia stato il regolatore di livello dell'acqua con galleggiante inventato da I. Polzunov (1729-1766) nel 1765.

JC Maxwell (1831-1879)

Nel 1868 presentò una teoria matematica legata alla teoria del controllo utilizzando il modello di un'equazione differenziale.

I suoi contributi:

• Concetto di stabilità
• Importanza dei modelli matematici semplici
• Linearizzazione
• Azione di stabilità come problema di integrazione
• Criteri di stabilità per sistemi algebrici del primo, secondo e terzo ordine

Evans (anni '40 e '50)

Metodo del luogo delle radici. I metodi della risposta in frequenza e del luogo delle radici sono alla base del controllo classico. A questo punto, gli scienziati russi si concentrarono sulla formulazione nel dominio del tempo e sulle equazioni differenziali.

Progressi nel dopoguerra

• Rapida diffusione della nuova teoria del controllo russa e occidentale.
• Istituzione di centri di ricerca.
• Maggiore interesse per il controllo di sistemi non bellici.
• Maggiore offerta di corsi di controllo nelle università.
• Dibattiti pubblici sul controllo e altre scienze.

La moderna teoria del controllo si basa sull'analisi e sulla sintesi nel dominio del tempo, utilizzando le variabili di stato.