Automazione Industriale - Controlli Automatici

Proprietà del Controllo in Controreazione

Esempi di schemi di controllo e proprietà del controllo in controreazione

 
Per chiarire il significato degli schemi di controllo presentati nel paragrafo precedente , ed evidenziarne pregi e difetti, si può considerare come esempio il controllo del livello del liquido in un serbatoio. Il serbatoio eroga un flusso nominale Qu verso una rete utilizzatrice : la variabile controllata è il livello L , mentre la variabile controllante è il flusso in entrata Qi ( Qu è un parametro del modello , sul quale non è consentito agire ). Le tre strategie si traducono nelle seguenti azioni di controllo:

- il controllo in catena aperta consiste nel fornire al serbatoio un flusso in entrata pari al flusso nominale in uscita. Se però la rete utilizzatrice presentasse per un certo intervallo di tempo un fabbisogno inferiore a quello nominale , i due flussi non si compenserebbero ed il livello del serbatoio tenderebbe a salire oltre il valore desiderato ( col rischio di un overflow ). Questa situazione è mostrata in figura 1.
Figura 1 : Il controllo del serbatoio secondo lo schema in catena aperta
- il controllo con compensazione diretta consiste nel misurare con un rivelatore di portata il flusso in uscita Qu e fornire in ingresso lo stesso valore per Qi . Questa soluzione ovvia al problema delle variazioni dovute al fabbisogno della rete utilzzatrice, ma non è in grado di rilevare, ad esempio, possibili variazioni dovute all'evaporazione del liquido o ad eventuali perdite nel serbatoio. Questa situazione è mostrata in figura 2. 
Figura 2 : Il controllo del serbatoio secondo lo schema a compensazione diretta
- l'unica soluzione che permette di rilevare tutti questi disturbi agenti sul sistema è l'introduzione di un galleggiante , o di un qualsiasi altro trasduttore di livello, in modo da calcolare il flusso in entrata come funzione della differenza L-Ldes ( segnale errore ). Questa scelta corrisponde allo schema di controllo in controreazione ( figura 3 )
Figura 3 : Il controllo del serbatoio in catena chiusa secondo lo schema a reazione negativa
L'esempio evidenzia due delle proprietà fondamentali del controllo a controreazione:

- riduzione degli effetti dovuti a variazioni parametriche nel modello del processo ( ad esempio le variazioni del flusso in uscita ) ; 

- riduzione dell'effetto dei disturbi in uscita al processo ( ad esempio le variazioni dovute all'evaporazione e alle perdite del serbatoio ) . 

Il caso del serbatoio permette inoltre di esemplificare uno dei limiti entrinseci della controreazione stessa : la necessità di una informazione attendibile sull'uscita. Si dimostrerà in seguito che l'errore di trasduzione si può schematizzare come un rumore additivo sul ramo di retroazione : a differenza dei disturbi in uscita e nel ramo diretto, che possono essere ridotti dalla retroazione progettando opportunamente il controllore, questo genere di disturbi si ripercuote interamente sull'uscita . Tornando all'esempio del serbatoio, perché il sistema di controllo mantenga con buona approssimazione il livello del liquido attorno al valore desiderato è necessario scegliere un buon galleggiante o un buon trasduttore di livello.
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Appunti di Controlli Automatici

Introduzione all'automatica

 
In automatica controllare un sistema significa calcolare un’azione o una sequenza di azioni che facciano assumere ad una grandezza di interesse un opportuno valore o una opportuna sequenza di valori. Tale grandezza viene detta grandezza controllata e riguarda solitamente un processo fisico , il processo da controllare. Nel corso di Controlli Automatici si guarda al processo secondo l’approccio della teoria dei sistemi; lo si considera cioè un oggetto astratto orientato dotato di ingressi ed uscite : le uscite sono le grandezze da controllare e gli ingressi sono le grandezze controllanti . In questo modo è possibile stimare un modello del processo a partire dal quale si calcola l’azione di controllo .
Figura 1 : la rappresentazione del processo secondo la teoria dei sistemi
Si parla di controlli automatici perché il calcolo e l’attuazione dell’azione di controllo vengono svolti da dispositivi che sostituiscono del tutto o in parte l’azione dell’uomo. L’insieme di questi dispositivi viene solitamente indicato col nome di controllore, che nei controllori più semplici ha la struttura indicata in figura 2.
Figura 2 : Lo schema di controllo in catena aperta
Tale schema , che viene detto controllo in catena aperta , da luogo a prestazioni scadenti e trova impiego solo in situazioni particolari ( ad esempio quando l’attuatore è un motore passo-passo) , perché non tiene conto dello scostamento fra uscita reale e uscita del modello. Questo scostamento è dovuto sostanzialmente a due cause : 

- il modello del processo non può essere conosciuto con esattezza ( dinamica non modellata e variazioni parametriche nel modello del processo ) ;

- sul sistema agiscono rumori e disturbi che non sono completamente noti . 

Per questo motivo nei controlli automatici si preferisce adottare lo schema a controreazione , mostrato in figura 3, che calcola l’azione di controllo a partire dalla differenza fra uscita desiderata e uscita effettiva . Questa differenza viene detta segnale errore : il compito del controllore è proprio quello di far tendere a zero il segnale errore , soddisfando alcune specifiche sulle prestazioni globali del sistema , che saranno descritte più avanti. Se anziché la differenza si effettuasse la somma fra ingresso e uscita del sistema si parlerebbe di reazione positiva e non di reazione negativa o controreazioneLa reazione positiva trova scarsa applicazione in controlli automatici , perché causa di instabilità : in elettronica questa instabilità viene invece sfruttata per realizzare gli oscillatori.
Figura 3 : Lo schema di controllo in catena chiusa
E' possibile anche una terza strategia di controllo, che si applica quando è verificata una condizione particolare : si hanno informazioni a priori sui disturbi che agiscono sul processo. Il disturbo deve quindi essere parzialmente noto o almeno misurabile e allora si parla di schema di controllo a compensazione diretta , che è mostrato in figura 4.
Figura 4 : Lo schema di controllo a compensazione diretta
I sistemi basati esclusivamente sulla compensazione diretta sono comunque relativamente rari , perché presentano svantaggi simili al controllo in catena aperta : se l'informazione sul disturbo si degradasse o se l'azione di controllo fosse diversa da quella progettata, non si avrebbe alcun riscontro sul reale andamento dell'uscita. Per questo motivo , quando si conosce almeno in parte il disturbo agente sul processo, si preferisce combinare i vantaggi del controllo a compensazione diretta con quelli del controllo in catena chiusa ricorrendo ad uno schema di controllo ibrido come quello mostrato in figura 5.
Figura 5 : Lo schema di controllo ibrido che combina i vantaggi della compensazione diretta e della controreazione
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