Classificazione e Struttura di Sistemi di Movimentazione Servocontrollata

Per comprendere la complessità di un sistema automatizzato è necessario:

 

• distinguere il processo di controllo dai processi di trasformazione e trasmissione;
• definire la funzione di un sistema di controllo: esso è un sistema finalizzato ad ottenere il raggiungimento di una situazione desiderata;
• infine occorre aver chiaro il concetto di flessibilità di un sistema: essa è la capacità che ha il sistema di cambiare quando cambiano le condizioni di entrata, grazie all’applicazione del principio di retroazione (feed-back). 

Lo sviluppo della tecnologia manifatturiera che ha portato ai sistemi automatizzati, si identifica infatti con lo sviluppo della tecnologia delle macchine flessibili.

Esse si basano su una progettazione tecnologica e strutturale entro la quale un sistema di controllo di grande complessità: 

• opera a bassi livelli di energia;
• può essere modificato indipendentemente dai sistemi di trasformazione e trasmissione;
• è collegato alla macchina attraverso un dispositivo o un meccanismo che traduce informazioni a bassa potenza in attuazioni di alta potenza. 

Gli elementi di informazione sono pertanto: 

• Il principio di retroazione (feed – back);
• le tipologie di controllo: in catena aperta e in catena chiusa;
• la rappresentazione a blocchi di un sistema di controllo;
• la descrizione della struttura Hardware di un sistema di controllo industriale per movimentazione.

 

Il circuito del “FEED – BACK”

Le macchine tradizionali trasformano gli oggetti vincolando il movimento: ne risulta una sequenza che non cambia mai.

Il “circuito a feed-back” sviluppa invece una sequenza di movimenti continuamente compensatori dell’errore, in modo da raggiungere l’obiettivo prefissato.

Le specifiche sequenze di un movimento sono infatti sostituite da una “meta – sequenza”, da una sequenza cioè che definisce altre sequenze, nella quale: 

• l’obiettivo viene confrontato con un risultato;
• viene intrapresa un’azione che porta il risultato successivo più vicino all’obiettivo;
• le informazioni sulle conseguenze dell’azione intrapresa influenzano l’azione successiva.

 

 Non c’è quindi un modello di azione, come nelle macchine meccaniche, ma una serie di “reazioni” ai cambiamenti che avvengono nel contesto della macchina. 

Tipi di controllo

I tipi di controllo possono essere: 

1. Controllo in catena aperta
2. Controllo in catena chiusa. 

Possono essere realizzati tramite: 

1. Controllo analogico
2. Controllo digitale.

 

Controllo in catena aperta

Si chiama controllo in “catena aperta” il sistema di controllo caratterizzato da un’azione di controllo indipendente dall’uscita: esso infatti non considera cioè gli effetti ed i risultati di’ eventuali disturbi, e pertanto non prevede l’introduzione di dispositivi di retroazione.

La maggior parte dei controlli a catena aperta è unicamente costituito da un dispositivo amplificatore, detto servosistema, che con una piccola potenza d’ingresso, modula una grande potenza d’uscita.

Si osservi il seguente sistema di riscaldamento di un forno.

Controllo in catena aperta

Si chiama controllo in “catena aperta” il sistema di controllo caratterizzato da un’azione di controllo indipendente dall’uscita: esso infatti non considera cioè gli effetti ed i risultati di’ eventuali disturbi, e pertanto non prevede l’introduzione di dispositivi di retroazione.

La maggior parte dei controlli a catena aperta è unicamente costituito da un dispositivo amplificatore, detto servosistema, che con una piccola potenza d’ingresso, modula una grande potenza d’uscita.

Si osservi il seguente sistema di riscaldamento di un forno.

 

 

Come appare dalla figura, dall’esterno viene applicato un segnale chiamato ingresso (I) il quale condiziona il processo di regolazione e determina un prodotto finale (temperatura all’interno del forno), che costituisce la grandezza d’uscita (T).

Chiudendo l’interruttore e fornendo potenza costante, la temperatura nel forno raggiunge, dopo un certo periodo, il valore di regime come appare nella figura seguente.

 

 

Questo caso è un esempio di sistema a catena aperta, in quanto il valore dell’uscita (T) non influenza il valore dell’ingresso.

 

Controllo in catena chiusa

I sistemi di controllo in “catena chiusa” consentono di correggere, a differenza di quelli in catena aperta, gli effetti prodotti da eventuali disturbi (esterni e/o interni).

Essi infatti sono caratterizzati da un’azione di controllo dipendente dall’uscita resa possibile dall’adozione di dispositivi che consentono la retroazione.

Tali dispositivi sono i trasduttori.

In generale un trasduttore è un dispositivo in grado di convertire una forma di energia in un’altra.

Quando il controllo è di tipo elettronico, il trasduttore può essere definito come un dispositivo capace di convertire una grandezza fisica d’ingresso in una grandezza di natura elettrica di uscita.

L’introduzione del trasduttore consente la chiusura della catena e la realizzazione di un processo automatico.

Il segnale d’ingresso applicato dall’esterno viene solitamente denominato segnale di riferimento, o più semplicemente Riferimento (V Rif.); l’ingresso dell’elemento di controllo dipende pertanto sia dal riferimento, sia dall’uscita (e precisamente dalla somma algebrica dei due valori).

Nella rappresentazione a blocchi seguente:

 

 il trasduttore (T) misura la grandezza regolata, (U) la converte in grandezza elettrica proporzionale; questa, condizionata dal blocco di retroazione, determina il segnale VH che viene confrontato con il valore richiesto (V Rif.) chiudendo così la catena. Il risultato del confronto fra il valore richiesto (V Rif.) e quello reale (VH) si chiama errore (E).

In assenza di disturbi l’errore è costante, di valore molto piccolo e il sistema mantiene il suo comportamento funzionale.

Riprendendo in esame l’esempio precedente del controllo di temperatura, si può osservare come l’eventuale disturbo si compensi introducendo il trasduttore. 

 In questo caso il trasduttore è costituito da una termocoppia (trasduttore di temperatura) che fornisce in uscita una tensione elettrica dipendente dalla temperatura all’interno del forno.

 

Controllo analogico e controllo digitale

I sistemi di controllo possono essere classificati anche in base al modo con cui viene trattata l’informazione; in tal caso si parla di: 

• controllo analogico
• controllo digitale.

Nel controllo analogico esiste proporzionalità tra grandezze fisiche e segnali elettrici; il valore di una grandezza fisica è dato dal valore dell’ampiezza del segnale corrispondente.

Nel controllo digitale l’informazione relativa ad una grandezza fisica è contenuta in una codifica numerica che rappresenta il valore della grandezza stessa.

Ricordando che un segnale trasmette un’informazione, nella figura seguente osserviamo che:

 

il segnale rappresentato a sinistra non presenta discontinuità, né di ampiezza, né di tempo (segnale analogico), mentre il segnale rappresentato a destra presenta discontinuità sia nell’ampiezza, che nel tempo (segnale digitale).

 

La rappresentazione a blocchi di un sistema di controllo

Per lo studio funzionale e analitico di un sistema di controllo si ricorre ad un metodo simbolico del sistema stesso: questa rappresentazione è detta “schema a blocchi”.

Gli elementi che intervengono a comporre detto schema sono :

 

Il segmento  che indica il percorso del segnale: occorre considerare che si tratta di un percorso simbolico del segnale e ad esso non corrisponde necessariamente un collegamento elettrico o il passaggio di corrente;

il blocco  che corrisponde ad un qualsiasi elemento fisico del sistema che opera una determinata elaborazione del segnale: si avrà pertanto un segnale in ingresso (E) o entrata, un segnale di uscita (U); il legame fra questi due segnali (E ed U) è detto funzione di trasferimento del blocco (F);

il nodo indica la confluenza di due o più segnali che si possono sommare o sottrarre; si avrà pertanto il nodo di somma e il nodo di differenza, evidenziati dai segni (+ e -).

 

Il nodo quindi rappresenta l’operazione di somma algebrica fra due o più segnali omogenei.

Lo schema a blocchi di un sistema di controllo non rappresenta quindi la struttura fisica, ma la struttura funzionale del sistema stesso. Pertanto, per utilizzare un sistema di controllo è necessario saper leggere lo schema a blocchi che lo rappresenta.

Riportiamo di seguito un esempio di schema a blocchi di un processo automatico di controllo. 

Riferimento: tensione elettrica continua proporzionale all’escursione della grandezza fisica controllata.

Nodo di confronto:          punto nel quale avviene il confronto fra il valore richiesto e il valore reale, il risultato del confronto è l’errore.

Amplificatore di errore:   circuito che amplifica le variazioni (anche minime) dell’errore.

Modulatore:                     circuito che comanda il convertitore di potenza attraverso un segnale elettrico o foto – ottico.

Regolatore:                      insieme di amplificatore e modulatore.

Convertitore di potenza: amplificatore di corrente per il comando dell’attuatore.

Attuatore:                        dispositivo che genera la grandezza fisica sulla base del segnale elettrico.

Trasduttore:                     dispositivo che misura la grandezza fisica regolata.

 

Sulla base di questo schema a blocchi sono realizzati tutti i sistemi industriali di controllo automatico.

Nelle applicazioni industriali, le principali grandezze fisiche regolate dai sistemi di controllo automatico sono: velocità, posizione, temperatura.

Riportiamo, a titolo di esempio, uno schema a blocchi di controllo di velocità e uno di controllo di posizione.

SCHEMA A BLOCCHI DI CONTROLLO DI VELOCITÀ

 

V Rif.:   segnale di riferimento bidirezionale.

Ae:         amplificatore di errore di velocità.

M:          modulatore.

:      potenza. Convertitore a transistor.

M:          attuatore.

G.T.:      trasduttore di velocità (generatore tachimetrico).

 

SCHEMA A BLOCCHI DI CONTROLLO DI POSIZIONE

 

V Rif.:   segnale di riferimento.

Ae_(p):      amplificatore di errore di posizione.

Ae_(n):      amplificatore di errore di velocità.

M:          modulatore.

:      potenza. Convertitore a transistor.

M:          attuatore.

G.T.:      trasduttore di velocità (generatore tachimetrico).

E:           trasduttore di posizione (Encoder).

Osserviamo che nel secondo schema l’obiettivo è quello di controllare la posizione. Ma poiché la posizione comporta lo spostamento e quindi la velocità, il sistema deve controllare due grandezze: posizione e velocità.

Confrontando i due schemi, infatti, si può osservare che: nel controllo di posizione sono presenti contemporaneamente due anelli di retroazione, mentre nel controllo di velocità è presente un solo anello.

Di conseguenza troviamo due trasduttori, due nodi di confronto, due amplificatori di errore.