reazióne (sistemi di controllo)

Tipi di reazione

Nel campo dei meccanismi di controllo, si dice che in un processo si ha una reazione (o retroazione) quando una grandezza variabile del processo agisce su una seconda grandezza variabile, la quale a sua volta agisce sulla prima. La reazione è detta positiva se, determinando dall'esterno una variazione di un determinato segno della prima variabile, per effetto della reazione la seconda variabile agisce sulla prima determinandone una variazione dello stesso segno; la reazione si dice invece negativa nel caso opposto; la reazione negativa è anche detta controreazione. Un esempio di reazione positiva si ha nel funzionamento di una dinamo autoeccitata in derivazione, poiché un aumento della tensione di armatura determina un aumento del campo induttore, quindi un ulteriore aumento della tensione di armatura e così via. Un esempio di reazione negativa si ha nel funzionamento di un regolatore elettronico, per esempio ad azione proporzionale, o ad azione proporzionale e integrale. In generale la reazione positiva comporta il rischio di innesco di fenomeni oscillatori, a frequenza determinata dai parametri del sistema. Il fenomeno oscillatorio diventa invece lo scopo del funzionamento del sistema, che viene proporzionato a tale scopo, negli oscillatori elettronici. Un'apparecchiatura che funziona con reazione viene in generale rappresentata con uno schema a blocchi a forma di anello, detto anello di reazione, nel quale si distinguono due rami, un ramo diretto e un ramo detto di reazione. Il sistema, per esempio, rappresenta lo schema di un sistema di regolazione automatica dello spostamento di un utensile. Il segnale r(t) uscente dal generatore G arriva al comparatore C, da cui esce un segnalee(t) che viene successivamente amplificato dall'amplificatore A, indi passa al motore M alimentato da N, indi al riduttore R e alla coppia cinematica di comando dell'utensile U; questo è collegato al comparatore C mediante il ramo di reazione comprendente il trasduttore T. Si comprende quindi la funzione essenziale del comparatore, dove ha luogo il confronto fra il segnale di entrata e il segnale d'uscita; dal comparatore esce il segnale differenza e(t), il cui valore assoluto indica l'entità della differenza del segnale dal valore desiderato, il segno indica il segno dell'errore. Il funzionamento di un anello di reazione è caratterizzato dalla funzione di trasmissione o di trasferimento w(s), data la relazione:

dove G(s), H(s) sono le funzioni di trasferimento rispettivamente dei rami diretto e di reazione, K è il guadagno dell'amplificatore, s=jω essendo ω=2πf, e f la frequenza (vedi anche regolazione).

Reazioni in una catena elettroacustica

In una catena elettroacustica si ha reazione quando l'uscita del sistema è acusticamente accoppiata con l'entrata. Considerando il semplice caso della catena costituita da un microfono, un preamplificatore, un amplificatore di potenza, un altoparlante, si ha reazione quando il microfono sente il suono emesso dall'altoparlante. Se la reazione è positiva si può avere l'innesco di un fischio, ossia il sistema diventa autooscillante.

Reazioni in elettronica

La reazione è diffusamente impiegata per migliorare le prestazioni o modificare le caratteristiche di circuiti a blocchi attivi. Si realizza riportando all'ingresso del blocco una parte del suo segnale di uscita. Qui il blocco attivo che viene interessato ha un guadagno A=u/e e il blocco di reazione trasmette verso l'ingresso una parte Hu del segnale di uscita; il nodo sommatore (+) fornisce all'ingresso del blocco attivo un segnale e=E+Hu somma di quello di ingresso esterno E e di quello di reazione. Poiché U=Ae, il guadagno dell'intero blocco A_r=U/E risulta dato da . Questa espressione mostra che il guadagno A_r è minore di quello del blocco attivo A allorché HA è negativo, mentre è maggiore di A e può diventare infinito quando HA è positivo. Nei due casi si ha rispettivamente reazione negativa e reazione positiva, o rigenerazione. La reazione negativa migliora la precisione della caratteristica di trasferimento del blocco ed è usata negli amplificatori per strumentazione, nei controlli automatici e nei servomeccanismi, mentre la reazione positiva procura un'instabilità nelle grandezze del blocco che è messa a frutto nei circuiti oscillatori, multivibratori e a scatto. L'effetto della reazione negativa in un amplificatore è quello di stabilizzare il valore dell'amplificazioneA_r contro tutte le perturbazioni estranee al blocco di reazione H, per esempio variazioni di A per deriva termica o invecchiamento ed effetti di carico all'ingresso o all'uscita. Infatti, per |HA|≫1 si ha che

cioè l'amplificazione dipende soltanto dal fattore di reazione H. In alcuni amplificatori di tipo operazionale, la rete di reazione è costituita da partitori di impedenze che fissano il valore dell'amplificazione in e . Poiché la reazione tende a mantenere costanti i segnali che trasmette lungo l'anello, risultano variati i livelli di impedenza; per esempio,l'impedenza di ingresso (uscita) aumenta (diminuisce) di un fattore 1-HA rispetto al valore senza reazione proprio dell'amplificatore. La reazione positiva ha invece come conseguenza di accrescere il guadagno a spese del peggioramento delle altre caratteristiche dell'amplificatore, e quando HA>1 qualsiasi disturbo di minima ampiezza può provocare nella spira di reazione l'insorgere di un segnale progressivamente crescente, con un limite di ampiezza fissato soltanto dalla dinamica del blocco. Secondo che la spira di reazione sia a banda larga o stretta, la forma d'onda di questo segnale spontaneo è un'esponenziale crescente con il tempo oppure una sinusoide di ampiezza crescente esponenzialmente; nel primo caso, raggiunti i limiti della dinamica, si hanno stati stabili o metastabili (vedi multivibratore) e un comportamento di circuito a scatto, nel secondo caso le non linearità introducono una riduzione di guadagno di spira che stabilizza l'ampiezza della sinusoide generata (vedi oscillatore).