Automazione Industriale - Controlli Automatici

Il Lemma del Mapping e il Criterio di Nyquist

Il lemma del Mapping e il Criterio di Nyquist

 
L'approccio allo studio della stabilità presentato nel paragrafo precedente presenta due svantaggi sostanziali :

1) Richiede la conoscenza esplicita della W(s) a ciclo chiuso , o almeno del suo denominatore ( il polinomio caratteristico ), così da poterne calcolare i poli . Il criterio che andremo or ora a formulare si basa invece sul Diagramma di Nyquist della F(s) , cioè della funzione di trasferimento in catena aperta ( se consideriamo la presenza del processo P(s), del controllore G(s) e della costante di retroazione K si ha F(s)=K*G(s)*P(s) ). Il diagramma di Nyquist (detto anche diagramma polare ) di una funzione razionale F(s) è il luogo degli estremi del vettore P(jw) , rappresentato sul piano Re[P(jw)],Im[P(jw)] , per w che varia da  a  ; si può quindi costruire sperimentalmente osservando la risposta in frequenza della catena di blocchi che costituiscono l'anello aperto del sistema di controllo. 

2) Non è orientato alla sintesi dei sistemi di controllo a controreazione ; il metodo che andremo a trattare ora , invece , fornisce indicazioni immediate sulle modifiche da apportare alla F(s) ( e quindi al controllore) perché il sistema a ciclo chiuso risulti più o meno vicino al limite dell'instabilità : queste anticipazioni saranno più chiare quando si sarà esaminato l'effetto del guadagno ( o dell'aggiunta di un integratore o di un derivatore) sul diagramma di Nyquist.

Relazione fra il polinomio caratteristico in catena aperta ed il polinomio caratteristico a ciclo chiuso

TEOREMA1: Fra il polinomio caratteristico a ciclo chiuso  e quello in catena aperta sussiste la relazione:

DIMOSTRAZIONE : Indicando con  la funzione di trasferimento sul ramo diretto, si avrà che la f.d.t in catena aperta è  e la f.d.t. a ciclo chiuso è  . 
Si è definito  il denominatore della W(s) , cioè il polinomio caratteristico a ciclo chiuso. In base a questa definizione, quando si va a calcolare 1+F(s) , si ottiene proprio :  .

Un metodo per determinare il numero di poli e zeri entro il piano Re[s]>0

Indicando con Zap il numero di radici a parte reale positiva di  e con Zch il numero di radici a parte reale positiva di  , enunciamo un teorema, detto Lemma del Mapping, che permette di determinare N=Zch-Zap dal diagramma di Nyquist di 1+F(s) . Il lemma sarà enunciato per una funzione razionale fratta G(s) qualsiasi, dotata di un certo numero di poli P e zeri Z racchiusi in un'opportuna regione del piano complesso : scegliendo poi come regione il semipiano Re>0 e come G(s) la 1+F(s) ( che ha a numeratore  e a denominatore  , per cui Z=Zap e P=Zch ) si utilizzerà il lemma per derivare un criterio di stabilità.
LEMMA DEL MAPPING : Data una funzione razionale G(s) e una curva chiusa C del piano di Gauss Re[s],Im[s] , la differenza N fra il numero di zeri Z e il numero di poli P racchiusi dalla curva G è pari al numero di giri che l'immagine C1 di C , secondo G(s) , compie attorno all'origine del piano Re[w=G(s)],Im[w=G(s)]. La curva C deve essere semplice e non deve contenere né poli né zeri di G(s).
Figura 1 : Significato grafico del Lemma del Mapping
DIMOSTRAZIONE INTUITIVA DEL LEMMA DEL MAPPING : Questa "dimostrazione" non costituisce una prova rigorosa del lemma del mapping , ma intende semplicemente presentare in modo intuitivo il significato del lemma del Mapping in una situazione particolarmente semplice , come quella di una G(s) con soli poli e zeri semplici.

Fattorizzando il numeratore ed il denominatore della G(s) nella forma:


la fase di w=G(s) è data dalla somma algebrica delle fasi dei vettori:

.
Immaginiamo di far compiere ad s un giro completo sulla curva C e osserviamo come variano la fase di questi vettori ; si possono osservare tre diversi comportamenti , a seconda che : 

1) i poli o gli zeri siano esterni rispetto alla curva C : in questo caso, al termine di un giro completo di s su C , la fase dei termini  e  ha riassunto il valore iniziale , come mostrato in figura 2. I poli e gli zeri esterni alla curva C non danno quindi contributo alla variazione della fase di G(s) sul piano immagine, al termine di un giro completo.
Figura 2 : Il contributo alla variazione di fase di G(s) dovuto ad uno zero ( o ad un polo) che si trova all'esterno della regione considerata

2) gli zeri siano interni alla curva C : come mostrato in figura 3 , quando s ha percorso un giro completo su C in senso antiorario, il vettore  ha subito una variazione di fase pari a .

3) i poli siano interni alla curva C : vale lo stesso ragionamento del punto precedente, con la differenza che la variazione di fase dovuta a  si sottrae nel computo della fase di G(s) , quindi il contributo è pari a -.
Complessivamente quindi, la fase di G(s) , per s che compie un giro completo sulla curva C , ha subito una variazione pari a :


ovvero ha compiuto un numero di giri in senso antiorario attorno all'origine di di Re[G(s)],Im[G(s)] pari a :

N=Z-P
PARTICOLARIZZAZIONE DEL LEMMA DEL MAPPING PER LO STUDIO DELLA STABILITA' DEI SISTEMI A CICLO CHIUSO: L'enunciato del lemma del mapping vale per tutte le funzioni razionali G(s) e per tutte le curve semplici , chiuse , che non incontrano poli e zeri della G(s) ; si tratta a questo punto di applicarlo a una G(s) e ad un curva C che permettano di derivare un criterio di stabilità asintotica ( nessun polo a ciclo chiuso con parte reale positiva ) : 
1) Essendo interessati a N=Zch-Zap , la funzione G(s) scelta è , per quanto detto nel teorema1, 1+F(s). In particolare , il numero di giri che 1+F(s) compie attorno all'origine del piano complesso è pari al numero di giri che F(s) compie attorno al punto -1+J0 del piano immagine, detto punto critico
2) Essendo interessati ad una curva C che racchiuda al proprio interno il semipiano Re>0 ( siamo interessati al numero di poli instabili a ciclo chiuso ) , scegliamo l'asse immaginario , percorso nel senso di jw crescente , completato da una semicirconferenza di raggio infinito che racchiude il semipiano Re>0 , come indicato in figura 4. Questo percorso viene anche detto cammino di Nyquist.
la semicirconferenza adottata per tracciare il sistema di Nyquist
DERIVAZIONE DEL CRITERIO DI NYQUIST DAL LEMMA DEL MAPPING : Ricordando la definizione di Diagramma di Nyquist , l'immagine secondo F(s) della curva appena descritta è proprio il diagramma di Nyquist di F(s) . Osservando quindi quanti giri questo diagramma compie attorno al punto critico -1+j0 , possiamo risalire a N=Zch-Zap. Ma in fase di sintesi Zap è nota , perché siamo noi che stiamo progettando la F(s) , pertanto conosciamo anche Zch=N+Zap. Imponendo che Zch=0 ( il sistema a ciclo chiuso è stabile solo se non ha poli a parte reale positiva ) , perveniamo al Criterio di Nyquist , che impone di verificare la condizione N=-Zap .

Criterio di Stabilità asintotica di Nyquist

CRITERIO DI NYQUIST NEL CASO GENERALE : Condizione necessaria e sufficiente perché un sistema con controreazione unitaria , caratterizzado da una f.d.t. ad anello aperto F(s) , sia asintoticamente stabile è che il diagramma di Nyquist di F(s) compia un numero di giri in senso antiorario attorno al punto critico -1+j0 pari al numero di poli a parte reale positiva di F(s) [N=-Zap] . Se il ramo di retroazione è costituito da una costante di trasduzione k , i giri da considerare sono attorno al punto -1/k+j0.
CRITERIO DI NYQUIST NEL CASO DI FUNZIONE DI TRASFERIMENTO AD ANELLO APERTO STABILE : Inizialmente il criterio di Nyquist fu formulato per sistemi asintoticamente stabili ad anello aperto , cioè caratterizzati da Zap=0 . In questa versione è noto anche come Criterio di Nyquist ridotto e afferma che : condizione necessaria e sufficiente perché un sistema con F(s) stabile sia asintoticamente stabile anche a ciclo chiuso è che il diagramma di Nyquist di F(s) non circondi il punto critico -1+j0 ( -1/k+j0 se il ramo inverso è caratterizzato da una costante di retroazione k ).
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Stabilità dei Sistemi a Ciclo Chiuso ( a retroazione )

Lo Studio della Stabilità dei Sistemi a ciclo chiuso o a retroazione

 
Un primo possibile metodo per studiare la stabilità dei sistemi di controllo a contoreazione è quello generale valido per tutti gli altri sistemi : si prende la rappresentazione in spazio di stato , o la rappresentazione implicita mediante trasformate, e si analizza la posizione nel piano complesso dei poli a ciclo chiuso.

Criteri per sistemi MIMO in spazio di stato

Partendo dalla rappresentazione in spazio di stato e ricordando le definizioni della stabilità date nel paragrafo precedente, si possono enunciare i seguenti teoremi : 

TEOREMA 1 : Un sistema L.S.D.O.F. è stabile internamente nell'origine se tutti gli autovalori semplici della matrice dinamica sono a parte reale non positiva e se gli autovalori multipli sono a parte reale strettamente negativa.
TEOREMA 2 : Un sistema L.S.D.O.F. è stabile asintoticamente internamente nell'origine se tutti gli autovalori della matrice dinamica sono a parte reale strettamente negativa.
TEOREMA 3 : Un sistema L.S.D.O.F. è stabile esternamente (BIBO) se gli autovalori semplici della matrice dinamica relativi a modi osservabili sono a parte reale non positiva e gli autovalori multipli relativi a modi osservabili sono a parte reale strettamente negativa.
TEOREMA 4 : Un sistema L.S.D.O.F. è stabile esternamente nella condizione iniziale nulla se gli autovalori della matrice A relativi a modi raggiungibili ed osservabili sono a parte reale negativa.
Con riferimento alla rappresentazione in spazio di stato (1) del paragrafo precedente, la matrice dinamica per il processo è la matrice A e quindi ad essa vanno applicati i criteri sopra esposti. Considerando invece un sistema retroazionato, si deve prima analizzare come viene modificata questa matrice , per poi applicare i criteri alla dinamica complessiva. 
Considerando per semplicità la seguente rappresentazione in spazio di stato ( si è trascurato il disturbo z e si è indicato con e l'ingresso sul ramo diretto , poiché il controllore elabora il segnale errore e non il set-point ) :
e supponendo di realizzare una retroazione dall'uscita con una matrice di costanti K :
Figura 1 : Lo schema con retroazione costante considerato
le equazioni in spazio di stato del sistema a ciclo chiuso saranno :
I criteri espressi nei teoremi 1,2,3,4 andranno quindi applicati alla matrice A-BKC.

Criteri per sistemi MIMO rappresentati con matrici di trasferimento

Agli stessi criteri ed alle stesse conclusioni si può pervenire partendo dalla rappresentazione implicia mediante trasformate. Lo schema di figura 2 suggerisce infatti che gli autovalori della matrice dinamica coincidono coi poli della  , gli autovalori osservabili coincidono con i poli della matrice  , mentre gli autovalori osservabili e raggiungibili coincidono coi i poli della matrice W(s).
Figura 2 : La relazione fra gli autovalori della matrice dinamica e i poli delle matrici di trasferimento
 
I teoremi precedenti si possono quindi riformulare come segue :
TEOREMA 1A : Un sistema L.S.D.O.F. è stabile internamente nell'origine se tutti i poli semplici della  sono a parte reale non positiva e i poli multipli sono a parte reale strettamente negativa.
TEOREMA 2A : Un sistema L.S.D.O.F. è stabile asintoticamente internamente nell'origine se tutti i poli della  sono a parte reale strettamente negativa. 
TEOREMA 3A : Un sistema L.S.D.O.F. è stabile esternamente (BIBO) se i poli semplici della matrice  sono a parte reale non positiva e i poli multipli sono a parte reale strettamente negativa.
TEOREMA 4A : Un sistema L.S.D.O.F. è stabile esternamente nella condizione iniziale nulla se i poli della W(s) sono a parte reale negativa.
 
Per rendere operativi questi criteri non resta che calcolare le matrici indicate. Per il sistema originario valgono le seguenti relazioni:


 ,
mentre per il sistema retroazionato è sufficiente, come visto in precedenza, sostituire A con A-BKC.

Criteri per sistemi SISO raggiungibili ed osservabili

Se il sistema è raggiungibile ed osservabile i poli della  , della  e della W(s) coincidono , pertanto, come si è osservato nelle lezioni precedenti, la stabilità interna, la stabilità esterna e la stabilità esterna nell'origine sono equivalenti : d'ora in poi si parlerà quindi indistintamente di stabilità. D'ora in poi si considerà il caso di sistemi SISO ( Single Input Single Output) , per i quali dim(u)=dim(y)=1 : la W(s) fra ingresso ed uscita del sistema a ciclo chiuso , quindi, non è più una matrice di funzioni razionali, ma una funzione razionale. Lo studio della stabilità può avvenire studiando le radici del denominatore della :


ovvero  . Un utile strumento per determinare quando le radici di questo polinomio siano a parte reale negativa è il Criterio di Routh , che permette di stabilire il segno delle radici del polinomio ( della loro parte reale, se complesse ) , senza doverle calcolare esplicitamente. 

Teorema di Routh e Criterio di Routh

Dato il polinomio  si costruisca la seguente matrice (detta matrice di Routh-Hurwitz in omaggio all'altro matematico che formulò un criterio analogo parallelamente a Routh) :


dove  ,  e i coefficienti ci, di, ecc si costruiscono con la stessa regola procedendo verso il basso ( l'ultima riga conterrà un solo elemento e quindi non sarà più possibile calcolare altri coefficienti). 

Il Teorema di Routh afferma che il numero di radici nel semipiano a parte reale positiva è pari ai cambiamenti di segno presenti nella prima colonna di tale matrice . Il criterio di stabilitàderivato da questo teorema afferma quindi che condizione necessaria e sufficiente perché tutte le radici di  siano a parte reale negativa è che , supposto an>0 , tutti i coefficienti della prima colonna della tabella di Routh siano positivi.

In realtà prima di costruire la tabella di Routh è buona regola verificare il segno dei coefficienti stessi del polinomio ; si può infatti dimostrare che condizione necessaria perché le radici siano tutte a parte reale negativa è che tutti i coefficienti a0,...,an siano positivi . Pertanto se anche un solo coefficiente manca o è negativo si può concludere che il sistema a ciclo chiuso non è stabile asintoticamente ( criterio di instabilità ).
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Stabilità dei sistemi di controllo

La Stabilità dei Sistemi di Controllo

L'analisi e la sintesi dei sistemi di controllo considerati in questi appunti farà sempre riferimento a sistemi lineari, stazionari , di ordine finito . Considerando quindi la rappresentazione in spazio di stato nel caso di sistemi a tempo continuo, questa sarà del tipo differenziale: 

Le definizioni di stabilità si riferiranno a questa rappresentazione, ma in seguito si passerà alla rappresentazione esterna mediante funzioni di trasferimento : il criterio di Nyquist verrà formulato a partire dalla funzione di trasferimento in catena diretta F(s). Il passaggio da una rappresentazione all'altra si ottiene scrivendo le espressioni dell'evoluzione dello stato e dell'uscita :
ed effettuandone la trasformazione secondo Laplace :
Si supporrà inoltre che le condizioni iniziali siano sempre nulle : 

Stabilità Interna

La stabilità interna riguarda la limitatezza della risposta x(t) descritta in (2) rispetto a perturbazioni dello stato iniziale. In generale la stabilità interna è una proprietà che riguarda una traiettoria e dipende quindi dallo stato iniziale e dall'ingresso. Fra tutte le traiettorie, quelle più interessanti da studiare sono i punti di equilibrio ( un punto si dice di equilibrio se , per almeno un ingresso, la traiettoria che ha origine nel punto coincide col punto stesso ), perché lo studio della stabilità di una qualsiasi traiettoria si può ricondurre allo studio della stabilità di un punto di equilibrio( considerando il sistema errore ).
Un punto di equilibrio xe si dice stabile se , comunque prendiamo  , esiste  tale che , se  , allora  in ogni istante di tempo successivo all'istante iniziale. In particolare, considerando sistemi tempo-invarianti , si può prendere l'istante iniziale nullo. Se, oltre ad essere verificata la condizione precedente, esiste anche  tale che  , allora il punto di equilibrio si dice asintoticamente stabile. 
Nei sistemi lineari la stabilità di un qualsiasi movimento equivale alla stabilità dell'origine del sistema libero associato ( B,M=0 in (1) ) , pertanto si può parlare di stabillità del sistema (che nel caso generale è invece una dicitura impropria) . In base alla definizione precedente, quindi , il sistema è stabile se comunque prendiamo  , esiste  tale che , se  , allora  in ogni istante di tempo successivo a quello iniziale .

Stabilità esterna o stabilità BIBO

La stabilità esterna o BIBO ( bounded input, bounded output ) si ha se , comunque prendiamo un limite superiore per l'ingresso  e uno stato iniziale  , allora esiste un limite superiore per l'uscita  , cioè se è  allora .
Si intuisce facilmente che questa condizione può essere verificata anche se una componente dello stato è illimitata ma , per questioni di osservabilità , non produce effetti sull'uscita , pertanto la stabilità esterna è una condizione meno stringente della stabilità interna : se un sistema lineare è stabile internamente nell'origine allora è anche esternamente stabile . Perché valga il viceversa deve invece essere verificata anche l'osservabilità , perciò un sistema stabile esternamente e osservabile è anche stabile internamente.

Stabilità esterna ( BIBO ) nello stato zero

La stabilità BIBO nell'origine è una proprietà ancora meno stringente della stabilità BIBO : nella definizione precedente, infatti, l'illimitatezza della y(t) poteva dipendere tanto dall'ingresso quanto dallo stato iniziale  . Se la condizione iniziale viene presa nulla si perviene alla seguente definizione : un sistema lineare si dice stabile esternamente nell'origine se , comunque si prende  esiste un  tale che , se l'ingresso è limitato superiormente da M ( ) , allora anche l'uscita è limitata superiormente da Nm ( ) . 
Se un sistema è stabile esternamente è anche stabile esternamente nell'origine, mentre perché valga il viceversa deve essere soddisfatta la condizione di raggiungibilità : se un sistema è stabile esternamente nell'origine e raggiungibile , allora è anche stabile esternamente.

Raggiungibilità ed Osservabilità dei sistemi considerati

Nel proseguio di questi appunti si studierà la stabilità dei sistemi di controllo a partire dalla rappresentazione esterna ingresso/uscita , cioè mediante la funzione di trasferimento W(s) in (2). L'unica stabilità che si può dedurre da questa funzione è la stabilità esterna con condizione iniziale nulla : d'ora in poi s'ipotizzerà pertanto che i sistemi studiati siano raggiungibil ed osservabili . Per quanto detto finora, si può infatti affermare che se un sistema è raggiungibile ed osservabile allora la stabilità esterna con condizione iniziale nulla equivale alla stabilità interna, come mostrato in figura 1.
Figura 1: le relazioni fra le varie definizioni di stabilità presentate in questo paragrafo
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I requisiti di un sistema di controllo

I requisiti di un sistema di controllo : fedeltà di risposta e stabilità

Quando si affronta la sintesi di un sistema di controllo i due requisiti fondamentali che vanno soddisfatti sono :

- la stabilità . A breve saranno date le definizione rigorose di stabilità : intuitivamente si può vedere la stabilità come la capacità del sistema di reagire a perturbazioni limitate con risposte limitate . Le perturbazioni possono essere variazioni delle condizioni iniziali o degli ingressi , mentre la risposta può essere nello stato o in uscita : si parla così di stabilità interna nell'origine, di stabilità esterna , di stabilità esterna nell'origine .

- la fedeltà di risposta , cioè la capacità del sistema di produrre uscite conformi a quelle desiderate . Tale conformità va studiata in relazione agli ingressi forniti al sistema, ai disturbi e alle variazioni parametriche.

Si intuisce come , prima di affrontare la sintesi del controllore , un corso di Controlli Automatici debba fornire gli strumenti per quantificare questi due requisiti , mediante un'opportuna analisi dei sistemi di controllo: si perverrà quindi a concetti come il margine di fase e margine di guadagno ( per quantificare la stabilità ) o ai parametri per descrivere la risposta in regime transitorio e in regime permanente, o ancora alla sensibilità che quantifica la reazione del sistema alle variazioni parametriche.
L'analisi che seguirà nei prossimi paragrafi sarà comunque costantemente "orientata alla sintesi" :

- lo studio della stabilità terrà conto del fatto che lo schema di controllo più diffuso è quello a controreazione e ci si chiederà quali condizioni deve rispettare la funzione di trasferimento in catena aperta F(s) perché il sistema a ciclo chiuso sia stabile ( criterio di Nyquist ).

- non potendo caratterizzare in modo esaustivo la risposta del sistema ( è impensabile considerare l'andamento analitico della risposta per tutti i possibili ingressi o disturbi ) , ci si limiterà a considerare le classi di stimoli più diffuse nei sistemi di controllo : il gradino unitario per la risposta transitoria, i polinomi e le sinusoidi per la risposta a regime permanente (tali restrizioni non sono comunque eccessivamente limitanti finché si resta nell'ambito dei sistemi lineari stazionari. Diversa è la questione passando a considerare sistemi non lineari) . Allo stesso tempo la caratterizzazione della risposta del sistema avverrà mediante pochi parametri significativi ( tempo di salita sovraelongazione , tempo di assestamento ) che avranno un immediato corrispettivo in alcune caratteristiche del controllore da progettare ( banda passante , modulo alla risonanza della funzione di trasferimento in catena aperta).
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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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