Introduzione ai sistemi
di controllo automatici

Un sistema di controllo automatico
è un sistema in grado di far variare
l’uscita (le uscite )in base ad una legge
desiderata, tale legge è applicata
tramite l’ingresso o riferimento senza
l’intervento umano (automatico).

le grandezza viene detta grandezza
controllata e riguarda solitamente un
processo fisico: posizione, velocità,
tensione, temperatura….
Regolazione ad anello aperto

dà luogo a prestazioni inferiori o
trova impiego solo in situazioni
particolari ( ad esempio quando
l’attuatore è un motore passopasso)
Controllo della velocità di rotazione di un disco ad anello aperto
Batteria
Selettore di velocità
Amplificatore
dc
Motore dc
Il motore dc fornisce una velocità di rotazione proporzionale alla
tensione applicata. Il sistema usa una batteria per fornire una tensione
proporzionale alla velocità desiderata.
Questa tensione è quindi amplificata ed applicata al motore.
L’inconveniente di un tale tipo di controllo (ad anello aperto – open
loop) è che l’intevento di un agente esterno (ad esempio la pressione
della mano sul disco) potrebbe ridurre la velocità del disco e quindi
l’azione di controllo sarebbe inefficiente.
Controllo livello serbatoio

Anello aperto
Controllo livello serbatoio

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
Dal controllo manuale al controllo automatico
Controllo della velocità di rotazione di un disco
Batteria
Selettore di velocità
+
Amplificatore
dc
Motore dc
Tachimetro
Retroazione


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 ,
Retroazione negativa o positiva


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 controreazione
La reazione positiva trova scarsa applicazione in
controlli automatici , perché causa di
instabilità : in elettronica questa instabilità
viene invece sfruttata per realizzare gli
oscillatori.
controllo in controreazione


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
controllo in controreazione
Sensore
livello

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 ) .

Altre sono il miglioramento della velocità
e una migliore precisione rispetto a quelli ad
anello aperto
Regolatore di Watt
Regolatore di Watt
F
M
M
V
L
C
A
A: albero rotante alla velocità che
s’intende regolare
M: masse rotanti con l’albero
C: collare mobile che si alza quando
la velocità aumenta
F: fluido motore
V: valvola che intercetta il fluido
motore
L: sistema di leve che trasmette il
moto dal collare alla valvola
• Primo esempio industriale di controllo a retroazione (James Watt, 1757)
• Quando la velocità aumenta oltre il valore prescritto (di riferimento) la forza
centrifuga allontana le masse dall’albero, il collare si alza e il sistema di leve
riduce la portata di fluido motore (Regolatore P)
SCHEMI A BLOCCHI

Blocco
I
U
G

Nodo sommatore
U
I1
+

U=GI
U=I1 I2

I2
Punto di diramazione
I
I
I
SCHEMI A BLOCCHI

Caratteristiche di blocco ideale:

Unidirezionale (il segnale si propaga in un solo verso)
Non costituisce carico per il segnale (il segnale su una linea non
cambia se collegato a uno o piu’ blocchi)

I
U
G
U=GI
SCHEMI A BLOCCHI

Blocchi in cascata
I
U
G1
G2
equivale a
I
U
G=G1*G2
U = G* I dove G= G1*G2
SCHEMI A BLOCCHI

Blocchi in parallelo
G1

I
U

G1

equivale a
I
U
G= G1 G2
U = G* I dove G=  G1  G2

SCHEMI
A BLOCCHI
Blocchi
in retroazione
I
U
+
G
H

equivale a
I
Gf
U
(dimostrazione?)
Gf 
G
1  GH
SCHEMI A BLOCCHI

Spostamento nodo sommatore (uscita-ingresso)
+
I1
G
I2
+
I1 +
+
G
U
U

Il segnale che si somma all’uscita di un blocco puo’ essere
riportato all’ingresso diviso per il guadagno del blocco

Spostamento nodo sommatore (ingresso-uscita)
I2
I1
I2/G
+
+
U
G
+
I1
G
+
GI2
U
SCHEMI A BLOCCHI

I +
-
Esempio 1:
G1
G3
U
+
G2
+

SCHEMI A BLOCCHI
Esempio 1:
G1*G3
I +
-
+
G2
+
U
SCHEMI A BLOCCHI
Esempio 1:

I +
-
U
G1*G3+G2
SCHEMI A BLOCCHI

Esempio 1:
U
I
G1*G3+G2
1+(G1*G3+G2)

SCHEMI A BLOCCHI
Esempio 2:
I +
-
+
G1
-
U
G2
G3
SCHEMI A BLOCCHI
Esempio 2:

I +
-
+
G1
-
U
G2
G3
G3
SCHEMI A BLOCCHI
I  + Esempio 2:
-
G1
G2
1+G2*G3
G3
U
SCHEMI A BLOCCHI

Esempio 2:
I
G1*G2
1+G2*G3
1+ G1*G2*G3
1+G2*G3
U
SCHEMI A BLOCCHI

I
Dimostrazione:
D
+
U
G
F
H



F = HU ; D = I – F ; U = GD
U = GI – GF = GI – GHU
U + GHU=GI
Gf 
G
1  GH
compensazione diretta

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
compensazione diretta

si hanno informazioni a priori sui disturbi
che agiscono sul processo
compensazione diretta

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
esempio

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
compensazione diretta

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
compensazione diretta