Controlli automatici

A. Costantini | (la videolezione)  Il controllo automatico, in particolare l'applicazione del feedback, è stato fondamentale per lo sviluppo dell'automazione. Le sue origini risiedono nel controllo del livello, negli orologi ad acqua e nella pneumatica/idraulica del mondo antico. Dal 17° secolo in poi furono progettati sistemi per il controllo della temperatura, il controllo meccanico dei mulini e la regolazione delle macchine a vapore. Durante il 19° secolo divenne sempre più chiaro che i sistemi in retroazione (feedback) erano soggetti a instabilità. Un criterio di stabilità fu derivato indipendentemente verso la fine del secolo da Routh in Inghilterra e Hurwitz in Svizzera. Anche il XIX secolo vide lo sviluppo dei servomeccanismi, prima per il governo della nave e poi per la stabilizzazione e gli autopiloti. L'invenzione degli aerei ha aggiunto (letteralmente) una nuova dimensione al problema. L'analisi teorica di Minorsky sul controllo delle navi negli anni '20 ha chiarito la natura del controllo a tre termini, utilizzato anche per applicazioni di processo negli anni '30. Basato sugli sviluppi dell'ingegneria dei servo e delle comunicazioni degli anni '30 e guidato dalla necessità di sistemi di controllo delle armi ad alte prestazioni, il corpo della teoria noto come il controllo classico è emerso durante e subito dopo la seconda guerra mondiale negli Stati Uniti, nel Regno Unito e altrove, così come le idee cibernetiche. Nel frattempo, in URSS era stato sviluppato un approccio alternativo alla modellazione dinamica basato sugli approcci di Poincaré e Lyapunov. Le informazioni furono gradualmente diffuse e le moderne tecniche di controllo dello spazio, alimentate dalle richieste della Guerra Fredda per i sistemi di controllo missilistico, si svilupparono rapidamente sia nell'est che nell'ovest. L'immediato dopoguerra fu segnato da grandi pretese per l'automazione, ma anche da grandi timori, mentre il computer apriva nuove possibilità nel settore.
Oggi il controllo automatico è un ingrediente indispensabile nella progettazione di macchine e altri sistemi di qualsiasi complessità. Esempi possono essere trovati in veicoli, robot, apparecchiature mediche, processi industriali, sistemi di telecomunicazione, biotecnologia e altrove. Si tratta di una disciplina ingegneristica fondamentale, con applicazioni che spaziano ad un ampio spettro. Al centro del controllo automatico c'è l'analisi dei sistemi dinamici e l'uso del feedback, ovvero quando le azioni di controllo vengono applicate a un sistema, sulla base di misurazioni, con l'obiettivo di compensare disturbi, modelli di sistema imprecisi, ecc. La ricerca in questo campo riguarda sia questioni fondamentali nella metodologia di controllo che applicazioni del controllo in aree di interesse industriale e sociale. 
L'idea di base di un circuito di controllo con feedback è più facilmente comprensibile immaginando cosa dovrebbe fare un operatore se il controllo automatico non esistesse.La figura I mostra un'applicazione comune del controllo automatico presente in molti impianti industriali, uno scambiatore di calore che utilizza il vapore per riscaldare l'acqua fredda. Nel funzionamento manuale, la quantità di vapore che entra nello scambiatore di calore dipende dalla pressione dell'aria alla valvola impostata sul regolatore manuale. Per controllare manualmente la temperatura, l'operatore osserva la temperatura indicata e, confrontandola con la temperatura desiderata, apre o chiude la valvola per immettere più o meno vapore. Quando la temperatura aveva raggiunto il valore desiderato, l'operatore avrebbe semplicemente mantenuto quell'uscita sulla valvola per mantenere costante la temperatura. Sotto il controllo automatico, il termoregolatore svolge la stessa funzione. Il segnale di misurazione al controller dal trasmettitore di temperatura viene continuamente confrontato con il segnale di set point immesso nel controller. Sulla base di un confronto dei segnali, il controller automatico può dire se il segnale di misurazione è al di sopra o al di sotto del setpoint e spostare la valvola di conseguenza fino a quando la misurazione (temperatura) non raggiunge il suo valore finale.

Il ciclo di feedback
Questo semplice anello di controllo del feedback serve ad illustrare i quattro elementi principali di qualsiasi anello di controllo del feedback (figura 2).

La misurazione

La misura deve essere effettuata per indicare il valore attuale della variabile controllata dal loop. Le misurazioni comuni utilizzate nell'industria includono portata, pressione, livello, temperatura, misurazioni analitiche come pH, ORP e conducibilità e molte altre specifiche per settori specifici.

L'attuatore finale

Per ogni processo deve essere presente un attuatore finale, che regoli la fornitura di energia o materiale al processo e modifichi il segnale di misura. Molto spesso si tratta di una sorta di valvola, ma potrebbe anche essere una cinghia o una velocità del motore, la posizione della feritoia, ecc.

Il processo

I tipi di processi che si trovano negli impianti industriali sono tanto vari quanto i materiali che producono. Si va dal semplice e comune, come i circuiti per controllare la portata, al grande e complesso come le colonne di distillazione nell'industria petrolchimica.

Il controllore automatico

L'ultimo elemento del loop è il controller automatico. Il suo compito è controllare la misurazione. "Controllare" significa mantenere la misura entro limiti accettabili. In questo articolo non verranno presi in considerazione i meccanismi interni al controllore automatico. Pertanto, i principi da discutere possono essere applicati ugualmente bene sia ai controllori pneumatici che elettronici e ai controllori di qualsiasi produttore. Tutti i controller automatici utilizzano le stesse risposte generali, sebbene i meccanismi interni e le definizioni fornite per queste risposte possano essere leggermente diversi da un produttore all'altro. 

Un concetto di base è che affinché esista il controllo di retroazione automatico, il circuito di controllo automatico deve essere chiuso. Ciò significa che le informazioni devono essere continuamente trasmesse in circolo. Il controller deve essere in grado di spostare la valvola, la valvola deve essere in grado di influenzare la misurazione e il segnale di misurazione deve essere segnalato al controller. Se questo percorso viene interrotto in qualsiasi momento, si dice che il ciclo è aperto. Non appena il loop viene aperto, come ad esempio quando il controllore automatico è impostato su manuale, l'unità automatica nel controllore non è più in grado di muovere la valvola. Pertanto, i segnali del controller in risposta a condizioni di misurazione variabili non influiscono sulla valvola e il controllo automatico non esiste.