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I sistemi di controllo

Il controllo automatico consiste in verifiche effettuate su un determinato sistema senza intervento diretto dell'uomo. In un sistema di controllo automatico, rappresentato mediante uno schema a blocchi , si possono individuare quattro blocchi fondamentali: il sistema controllato vero e proprio, che è, per esempio, l'apparecchiatura elettrica, o la macchina, o l'impianto, le cui uscite (costituite rispettivamente dall'ampiezza di un segnale elettrico, dalla velocità di rotazione di un albero, dalla portata di una pompa) devono essere controllate; l'organo di retroazione, che porta il dato di uscita u a un organo di confronto; l'organo di confronto (o differenziale), che paragona il dato dell'organo di retroazione con valori, r, di riferimento prestabiliti; l'organo di controllo, la cui uscita coincide con l'entrata del sistema controllato e la cui entrata è collegata con l'organo di confronto. Il sistema di controllo funziona nel modo seguente: l'organo di retroazione riporta all'organo di confronto il segnale d'uscita u del sistema, riducendolo in un dato rapporto, o trasformandolo in mediante un trasduttore, qualora le grandezze d'entrata o d'uscita del sistema non siano omogenee. L'organo di confronto calcola la differenza d=p-u´ fra le grandezze p e ; l'organo di controllo, in base al valore di d, agisce sul sistema, in particolare sulla sua entrata s, allo scopo di ridurre detto scostamento d entro certi limiti e con date caratteristiche che costituiscono le proprietà del sistema di controllo. Per un sistema di controllo sono importanti le seguenti caratteristiche: la stabilità, cioè la proprietà per cui il sistema reagisce a una perturbazione esterna ritornando a una condizione di equilibrio stabile; lo studio del comportamento di un sistema controllato consiste nello studio della sua stabilità; lo smorzamento, cioè la proprietà di ritornare all'equilibrio mediante oscillazioni della grandezza controllata; esso è maggiore o minore secondo la rapidità con cui le oscillazioni si attenuano; la prontezza, cioè la rapidità della risposta del sistema di controllo a variazioni dell'energia di alimentazione del sistema controllato. § Il controllo automatico si dice di regolazione o semplicemente regolazione quando ha lo scopo di mantenere costante il valore della grandezza controllata; si dice di asservimento, o semplicemente asservimento, o anche comando, quando la grandezza regolata deve seguire una data legge temporale. Si parla, inoltre, di controllo ad azione continua quando l'azione dell'organo di controllo non ha interruzioni, e di controllo intermittente nel caso opposto. Un particolare tipo di controllo intermittente è il controllo a segnali campionati, in cui un particolare dispositivo determina il funzionamento dell'organo di controllo automatico solo durante brevi intervalli di tempo che si succedono periodicamente. È un tipo di controllo intermittente anche il controllo a relè o controllo per tutto o niente, in cui l'organo di confronto determina il funzionamento dell'organo di controllo mediante un relè che funziona solo quando la differenza d=p-u´ raggiunge un valore determinato. Il controllo adattivo rappresenta infine un tipo di controllo non più rigido, ma tale che il programma imposto alla grandezza d'uscita venga automaticamente adattato a mutate condizioni di funzionamento del sistema sotto controllo.

La ricerca

Lo sviluppo degli studi e l'aumento del campo di applicazioni nell'ambito dei controlli automatici è stato tale da creare una vera e propria “scienza dei sistemi di controllo”. Lo sviluppo metodologico è stato ottenuto grazie agli avanzati studi e alla grande potenza di calcolo a disposizione, che hanno consentito non solo di raggiungere quelle prestazioni indispensabili in particolari applicazioni, altrimenti non raggiungibili con le convenzionali tecniche di controllo, ma anche di ottimizzare il comportamento del sistema secondo opportune funzioni-obiettivo. Tecniche quali il controllo adattativoe ilcontrollo fuzzy permettono al sistema di regolazione di adattare autonomamente il proprio comportamento al variare delle condizioni operative, mantenendo invariate le proprie prestazioni. Il controllo adattativo, applicato sia a sistemi lineari sia a quelli non lineari, è intrinsecamente non lineare e può essere considerato come un approccio alternativo o complementare al controllo robusto, il quale, sviluppato direttamente dai metodi classici del controllo, diminuisce di un grado i vincoli del sistema imponendo un limite di insensibilità rispetto alla variazione di un parametro del sistema stesso. Nel controllo robusto si costruisce il regolatore, relativo a un parametro, in modo che la regione racchiusa dal diagramma di Nyquist sia abbastanza lontana dal punto -1 sull'asse immaginario; tale distanza, misurata attraverso il margine di fase e di guadagno, rappresenta il grado di robustezza, cioè di insensibilità alla variazione di tale parametro. Le tecniche adattative vengono, per esempio, usate nelle applicazioni di robotica, ove sono richieste elevate prestazioni dinamiche unite all'annullamento, o almeno alla minimizzazione, dell'effetto delle variazioni dei parametri elettrici e meccanici (quali la resistenza elettrica con la temperatura o il momento d'inerzia con l'angolo), e dell'effetto dei disturbi, fra i quali, per esempio, la variazione del carico meccanico. Varie sono le metodologie di tipo adattativo proposte per migliorare le prestazioni del controllore classico PID(proporzionale-integrale-derivativo); tra le più utilizzate si ricorda: la programmazione dei guadagni ( dall'inglese gain scheduling), il controllo con un modello di riferimento MRAS(dall'inglese Model Reference Adaptive System) e i sistemi autoscillanti SOAS(dall'inglese Self Oscillating Adaptive Systems). In questi ultimi viene impiegato un dispositivo on-off (relè), per avere, nella catena di controreazione attorno al "processo", un guadagno il più elevato possibile. La presenza della non-linearità di tipo relè comporta la presenza intrinseca di una oscillazione persistente, detta ciclo limite, che per tali sistemi è la normale condizione di funzionamento. L'elevato guadagno d'anello consente alla dinamica del processo di inseguire la dinamica del "modello di riferimento", indipendentemente da eventuali variazioni parametriche nel sistema. Il principio di funzionamento dei sistemi SOAS ha trovato sviluppo nella tecnica di controllo nota come Sliding Mode e applicazione essenzialmente nei sistemi a struttura variabile (VSS, Variable Structure Systems). I controllori in logica fuzzy, invece, non sono altro che un'applicazione di un risultato della logica formale. Nonostante il nome apparentemente contraddittorio (in inglese significa sfumato), la logica fuzzy è un metodo estremamente accurato e preciso che permette di realizzare agevolmente anche complesse applicazioni di controllo e di supporto alle decisioni, in una vastissima gamma di settori applicativi. Si ricorda, infine, che mediante metodi di identificazione "in linea" o "fuori linea", messi oggi a disposizione dalla scienza dei controlli (Extended Kalman Filter), è possibile individuare, a partire da un certo insieme di grandezze e nelle varie condizioni di funzionamento del sistema da controllare, il valore di parametri associabili a un modello matematico. Introducendo tali metodiche innovative, la linea di demarcazione tra strategie di controllo e tecnologie di controllo diventa sempre più sfumata e diventa sempre più importante conoscere il comportamento desiderato del sistema e sempre meno importante conoscerne il modello matematico. Un discorso a parte nello sviluppo dei controlli è dato dal controllo digitale, in quanto lo sviluppo dei componenti digitali, fra cui principalmente i microprocessori, ha imposto una rivisitazione delle strategie e delle metodiche di controllo classiche, consentendo lo sviluppo delle metodologie innovative sopraddette. Lo studio del sistema può in questo caso seguire due vie: considerare il controllore discreto come approssimazione di un controllore continuo; studiare tutto il sistema con le tecniche proprie del sistema a segnali campionati. Il primo metodo può essere impiegato quando la frequenza di campionamento è sufficientemente alta rispetto a quelle in gioco durante il funzionamento del sistema: si può allora studiare la funzione di trasferimento K(s) del controllore continuo e poi convertirla in una funzione discreta K(z). La seconda possibilità richiede la discretizzazione dei singoli blocchi del sistema, ricavando un modello spesso espresso in termini di trasformata z. L'impiego del controllo digitale rispetto a quello in cui si fa uso nei circuiti analogici consente di: evitare variazioni parametriche con la temperatura e con l'uso, e la necessità della calibrazione; sviluppare algoritmi di controllo flessibili rispetto a possibili variazioni di schemi di controllo; avere la immunità da disturbi e la ripetibilità nei comportamenti; effettuare operazioni programmabili invece che operazioni via hardware. Si sono così sviluppate, nel campo dei controllori digitali, due differenti filosofie e procedure: quella dei sistemi a chip multiplo e quella dei sistemi a chip singolo. Alla prima appartengono quei sistemi basati su unità di impiego generico, quali i microprocessori usualmente impiegati nei personal computer, e su unità specificamente dedicate al calcolo intensivo, ovvero chips (DSP) caratterizzati da grande velocità e potenza di calcolo e in grado di eseguire operazioni matematiche in virgola fissa e mobile anche in un solo ciclo di clock (frequenza alla quale il microprocessore opera). Al secondo genere appartengono invece quei sistemi noti col nome di microcontrollori. Questi dispositivi forniscono talvolta una soluzione economica e semplice ai più diversi problemi di controllo di processo in tempo reale.

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