Definizioni iniziali Controlli ed Automazione

Sistemi di controllo
Per controllo di processo si intende l'insieme delle operazioni mediante le quali si fa in modo che
le grandezze che intervengono nel processo assumano nel tempo un andamento definito
indipendentemente da eventuali fattori esterni incontrollabili che agiscono in modo perturbativo
sul sistema (disturbi).
Riducendo il problema del controllo a quello di una sola grandezza possiamo definire sistema di
controllo un qualsiasi sistema fisico il quale operi il mantenimento di una certa relazione fra una
grandezza di ingresso (detta di «riferimento» o set point) ed una grandezza di uscita che
costituisce la grandezza «controllata» anche in presenza di disturbi o deterioramento parziale dei
componenti del sistema. Adottando la rappresentazione mediante modello a blocco
schematizzeremo dunque un sistema di controllo come in fig. 1.
Disturbi
Set point
Sistema di
controllo
Fig. 1
Grandezza
controllata
Sulla scorta degli esempi citati diremo
che a un servosterzo si richiede che la
posizione
delle
ruote
sterzanti
(grandezza controllata costituita da un
angolo) segua fedelmente il movimento
dello sterzo (grandezza di riferimento,
ancora un angolo) senza risentire ad
esempio delle perturbazioni sull'assetto
delle ruote causate da una strada
particolarmente sconnessa.
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In questo, come in molti altri casi, la legge di corrispondenza è una legge che potremo definire di
sostanziale proporzionalità diretta, sostanziale, ma non esatta proporzionalità in dipendenza del
fatto che qualsiasi sistema presenta una propria inerzia che produce sempre un ritardo fra
l'applicazione dell'ingresso ed il suo effetto sull'uscita. Per essere più precisi possiamo dire che la
relazione fra uscita ed ingresso di un servosterzo dovrebbe essere idealmente di tipo
proporzionale.
Nell'ipotesi ideale di proporzionalità fra uscita ed ingresso risulta chiaro come si possa
controllare l'uscita intervenendo sulla grandezza di riferimento. Riguardo alla loro
costituzione fondamentale i sistemi di controllo si suddividono in:
 sistemi a catena aperta o comandi;
 sistemi a catena chiusa.
Come vedremo tra poco i secondi offrono generalmente garanzie di affidabilità e precisione
decisamente superiori ai primi, per cui sono i soli adottati nei casi in cui le prestazioni
debbano soddisfare severe condizioni.
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Sistemi di controllo a catena aperta
In questi sistemi la garanzia del rispetto della relazione fra ingresso ed uscita è affidata
unicamente all'esatta conoscenza dell'utilizzazione del sistema in condizioni abbastanza
circoscritte e prevedibili. L'invecchiamento dei componenti del sistema o il verificarsi di
circostanze fuori dall'ordinario portano il sistema a funzionare in modo non più corretto. La
caratteristica essenziale di questi sistemi è che non operando alcuna verifica sulla grandezza di
uscita (cosa che fanno i sistemi a catena chiusa) non sono in grado di controllarne completamente
il suo comportamento.
Prendiamo come esempio di un sistema a catena aperta un forno a gas, come quello domestico;
analizzato sotto questo punto di vista il forno è un sistema che serve a controllare la temperatura
mediante il posizionamento di una manopola che regola l'erogazione del gas al bruciatore (fig. 2).
Disturbi
Posizione
manopola
Forno
Fig. 2
Temperatura
Se da questo sistema
vogliamo ottenere una certa
precisione, possiamo pensare
di tarare ogni posizione della
manopola con la temperatura
che il forno raggiunge dopo
qualche tempo (ecco un
esempio della presenza
dell'inerzia del sistema).
In seguito per ogni temperatura desiderata non dovremmo fare altro che posizionare nel punto
corrispondente la manopola ed attendere che il forno raggiunga la temperatura.
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Tuttavia un sistema di questo genere ci può dare affidamento per cuocere un dolce in quanto le
esigenze di mantenere costante la temperatura non sono molto stringenti, ma non per
procedimenti che richiedano una grande precisione nelle temperature. Infatti una variazione della
pressione del gas e quindi della sua erogazione oppure una parziale ostruzione degli ugelli del
bruciatore dovuta all'uso continuo o a cause contingenti comporterebbero un cambiamento nella
risposta del sistema ed il semplice posizionamento della manopola non ci darebbe più nessuna
certezza sulla temperatura che verrà raggiunta.
Se dal forno vogliamo ottenere un processo di cottura ad una precisa temperatura dovremo
adottare una strategia diversa, nel caso più semplice quella di verifìcare a brevi intervalli la
temperatura tramite un termometro posto all'interno ed intervenire sulla manopola aumentando
l'afflusso del gas quando la temperatura è al di sotto del valore desiderato o diminuendolo in caso
contrario.
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Questa strategia di verificare ad intervalli l'uscita del sistema è quella che ci da le più ampie
garanzie di controllo, tuttavia nella fattispecie richiede un continuo intervento da parte dell'uomo.
Cerchiamo di schematizzare comunque il sistema di controllo che così si realizza. Una possibile
rappresentazione è quella di fìg. 3.
Disturbi
Temperatura di
Posizione
riferimento
Temperatura
manopola
Forno
Uomo
Termometro
Temperatura letta
Fig. 3
In questo schema facciamo entrare l'uomo come elemento essenziale del sistema: il suo compito è
quello di ricordare il valore di temperatura desiderato, di leggere quello ottenuto e di agire sulla
manopola di conseguenza. A parte la stranezza di avere ridotto l'uomo ad un blocco decisionale
(parte intelligente del sistema) nel complesso rappresentato si configura un sistema di controllo a
catena chiusa; la dizione a «catena chiusa» si riferisce al fatto che, tramite l'intervento umano,
l'uscita (temperatura) fa sentire la sua influenza sull'ingresso (posizione della manopola). In
questo modo operiamo un'azione di verifica diretta della grandezza controllata e pertanto
qualsiasi causa possa farla variare rispetto al valore desiderato (invecchiamento componenti,
minore pressione del gas, ecc.) può essere resa inoffensiva dalla nostra azione correttrice. 5
Appare scontato a questo punto affermare che l'automazione del sistema di controllo richiede di
sostituire l'azione dell'uomo con quella di un qualsiasi dispositivo: è appunto ciò che si realizza in
un sistema di controllo a catena chiusa
Sistemi di controllo a catena chiusa
Un sistema di controllo automatico è dunque un sistema di controllo a catena chiusa, in cui
l'uscita viene «saggiata» ed il suo valore confrontato con la grandezza di riferimento, in modo da
produrre, ogniqualvolta ci sia una diversità fra l'uscita reale e quella voluta, un'azione correttiva
che riporti l'uscita al valore desiderato entro certi limiti di errore. Un sistema di controllo a catena
chiusa può essere rappresentato con lo schema a blocchi di fig. 4.
Grandezza di
riferimento x0
Blocco di
confronto
Grandezza
letta x
Disturbi
Errore 
Uscita
controllata
Blocco di
comando
Sistema sotto
controllo
Blocco di
reazione
TRASDUTTORE
Fig.4
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Grandezza di
riferimento x0
Blocco di
confronto
Grandezza
letta x
Disturbi
Errore 
Uscita
controllata
Blocco di
comando
Sistema sotto
controllo
Blocco di
reazione
TRASDUTTORE
Fig.4
In questo schema si distinguono:
il sistema di controllo a catena aperta, comprensivo dei dispositivi di comando e del sistema da
controllare;
un blocco detto di reazione (o feedback) che ha il compito di saggiare o prelevare la grandezza
d’uscita controllata fornendo un segnale di reazione x ad essa sostanzialmente proporzionale (nei
termini già detti), ma non necessariamente omogenea, cioè di natura diversa (es.: temperatura e
tensione elettrica);
un blocco di confronto che elabora il segnale di riferimento e quello di reazione e fornisce il
segnale , detto di errore, che occorrerà per realizzare l'opportuna azione correttrice.
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Va notato che in genere non si opera un confronto fra l'uscita reale e quella desiderata in
modo diretto come nel caso di controllo manuale, ma fra due grandezze (x e x0) di cui l'una
è derivata dall'uscita e l'altra sarà stabilita da ragioni di opportunità. Questo metodo è in
generale più comodo, più duttile e raggiunge gli stessi risultati.
A titolo di esempio prendiamo in esame il sistema che consente di muovere senza sforzo e a
distanza il timone di una grossa nave agendo sulla ruota o barra del timone.
Esaminiamo dapprima i blocchi di ingresso ed uscita del sistema(fig. 5). Attraverso un sistema di
ingranaggi si ottiene che il movimento della barra determini la rotazione di un potenziometro
inserito in un circuito elettrico del tipo partitore di tensione; in questo modo la posizione della
barra (α (t) = angolo di rotazione) è tradotta in un valore proporzionale alla tensione vr (t). Un
analogo meccanismo traduce la posizione del timone (β (t) = angolo di rotazione) in una tensione
proporzionale Vf (t). In entrambi i casi il sottosistema partitore di tensione, in cui è inserito il
potenziometro, ha dunque le funzioni di trasduttore di posizione.
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Disturbi

Barra
Vr
Partitore
potenziometrico

Ve
Blocco di
confronto
Amplificatore - motore
Timone
Vf
Partitore
potenziometrico
Fig. 5
Per quanto riguarda gli altri blocchi, la funzione più essenziale è svolta dal blocco di confronto.
Questo esegue semplicemente la differenza fra Vr(t) (grandezza di riferimento della parte centrale
del sistema di controllo) e la Vf (t) (grandezza di reazione) e produce un segnale errore Ve(t) che
viene amplificato per essere in grado di pilotare e muovere il motore. Tutto il sistema è progettato
in modo che se la posizione reale del timone, che è misurata attraverso Vf(t), corrisponde con
quella voluta, che è indicata da Vr(t), il segnale di errore è teoricamente nullo ed il motore
immobile mantiene il timone nella posizione che si è determinata. Viceversa se la posizione reale
del timone non corrisponde a quella desiderata, cioè se Vr(t)  Vf (t), il segnale errore sarà diverso
da zero e metterà in azione il motore per riportare il timone nella corretta posizione; quando il
timone avrà raggiunto la posizione finale sarà di nuovo Vr (t) = Vf (t) e di conseguenza il motore
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si arresterà perché Ve (t) = 0.
Evidentemente una diversità fra Vr (t) e Vf (t) può avere due origini: la più ovvia è quella
conseguente ad una manovra del timoniere (varia Vr (t)), l'altra è che si sia determinata una
variazione di Vf (t) per effetto di qualche disturbo provocato dal moto ondoso (pensiamo a quali
sollecitazioni è sottoposto il timone in un mare in tempesta). Attiriamo l'attenzione su questo
secondo caso per mettere in evidenza come un sistema sia in grado di reagire ai disturbi esterni
correggendo automaticamente l'uscita. Ritornando al movimento con il quale il timone raggiunge
la corretta posizione, osserviamo che per la presenza delle inerzie, meccaniche ed elettriche, del
sistema può succedere che il motore non si arresti esattamente quando viene raggiunta la
posizione desiderata, per cui si determina un posizionamento del timone oltre questa; in tal caso
si genera di nuovo un segnale di errore, di segno contrario al primo, che spinge il sistema di
controllo a correggere ancora la posizione del timone. Si intuisce allora che ha luogo un processo
che dopo alcune fasi di oscillazioni (il timone si muove ora a destra ora a sinistra della posizione
giusta) raggiunge l'obiettivo finale entro certi limiti di errore in un tempo finito (teoricamente
occorrerebbe sempre un tempo infinito per raggiungere l'esatta posizione finale).
Ovviamente il trasduttore di posizione del timone costituisce il blocco di reazione. Appare
abbastanza evidente che la precisione di questo blocco debba essere molto elevata; infatti una sua
imprecisione corrisponderebbe, nel caso di controllo manuale, ad una cattiva misura della
variabile controllata ed ovviamente non può aversi una buona regolazione di essa se la relativa
misura è scorretta (come facciamo a regolare la temperatura del forno se, essendo molto miopi,
non leggiamo bene il suo valore?).
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Caratteristiche e requisiti dei sistemi di controllo
I sistemi di controllo a catena chiusa si distinguono in:
 regolatori: quando la grandezza di uscita deve essere mantenuta costante;
 servosistemi: quando la grandezza controllata deve seguire nel tempo le variazioni della
grandezza di riferimento; i servosistemi prendono il nome di «servomeccanismi» quando la
grandezza controllata è di tipo meccanico (posizione, velocità, ecc.);
 a valore programmato: quando la grandezza (o le grandezze) di uscita deve avere nel tempo
un andamento prestabilito.
Nei due esempi citati nel paragrafo precedente, il forno costituisce un regolatore, il sistema di
controllo del timone un servosistema e più precisamente un servomeccanismo.
Costituiscono altri esempi di regolatori: un frigorifero (deve essere mantenuta costante la
temperatura come nel caso del forno), un alimentatore stabilizzato (deve mantenere costante
la tensione fornita).
Servosterzo e servofreno sono invece altri esempi di servomeccanismi così come un
amplificatore costituisce un servosistema: in tutti questi sistemi l'uscita deve seguire le
variazioni dell'ingresso.
Come esempio di sistema di controllo a valore programmato abbiamo citato la lavatrice
automatica; tutte le grandezze di questo sistema (livello e temperatura dell'acqua, verso e
velocità di rotazione del cestello) hanno nel tempo un andamento che è predeterminato
mediante il programmatore.
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Le funzioni di un sistema di controllo devono essere assicurate malgrado:
 i disturbi derivanti da cause esterne;
 i disturbi derivanti da variazioni dei parametri del sistema susseguenti ad invecchiamento;
 il ritardo della risposta rispetto all'eccitazione proprio di tutti i sistemi fisici.
Riferendoci al sistema di controllo del timone, possiamo dire che questo dovrà:
 mantenere la posizione del timone, nonostante le forze esterne causate dal moto ondoso;
 non risentire degli effetti dell'usura dei componenti quali gli ingranaggi, nonché di variazioni
nella risposta dell'amplificatore;
 eseguire i movimenti comandati dalla barra con precisione e con un ritardo minimo rispetto
alla sollecitazione anche quando questa varia con rapidità nel tempo.
Pertanto riassumendo quanto detto si può affermare che ad un sistema di controllo è richiesto:
 di risentire nel minor modo possibile dei disturbi dovuti a cause esterne;
 di risentire nel minor modo possibile delle variazioni parametriche del sistema stesso;
 di rispondere il più prontamente possibile alle sollecitazioni;
 di fornire una risposta la più precisa possibile, ovvero che sia vicina a quella ideale in limiti
ristretti di errore.
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Per fare un ulteriore esempio, ad un sistema di controllo della temperatura di un forno è
richiesto:
 di non risentire della temperatura esterna o delle variazioni nell'alimentazione (elettrica o a
gas);
 di non risentire di eventuali scadimenti dell'isolamento termico delle pareti;
 di assicurare la temperatura desiderata (ad esempio 120°C) entro limiti di errore ben
definiti (ad esempio  1 %) in qualsiasi condizione di funzionamento.
Poiché il forno è un regolatore il requisito della rapidità della risposta in molti casi non è
essenziale. Diverso è il caso di ognuno dei servomeccanismi citati in precedenza: si pensi
ad esempio a quali potrebbero essere le conseguenze di un servofreno che non reagisce
prontamente alle sollecitazioni del guidatore.
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Sistemi di controllo on/off
Nel campo delle regolazioni, quando l'esigenza di precisione della grandezza controllata non è
molto marcata sono adoperati sistemi di controllo di tipo on/off ovvero a funzionamento
intermittente nel tempo.
Ne è un esempio il controllo della temperatura interna di un frigorifero o dell'acqua di un
sistema di riscaldamento. Un sistema come quest'ultimo può essere schematizzato come in fìg. 6.
Blocco di
confronto
On / Off
Tr
Termostato
Blocco di
comando
Bruciatore
Sistema sotto
controllo
Tc
Acqua
Fig. 6
Il blocco di confronto ha le funzioni di un interuttore; esso confronta la temperatura raggiunta
dall'acqua con due valori di soglia Tr1 = Tr — ΔT e Tr2 = Tr + ΔT, se la temperatura dell'acqua è
inferiore al valore Tr1 attiva il bruciatore e non appena l'acqua acquista una temperatura
superiore a Tr2 lo disattiva. Nell'intervallo di tempo susseguente la temperatura dell'acqua, per
consumo o per dissipazione del calore verso l'esterno, scende; quando sarà al di sotto del valore
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di Tr1 il blocco di confronto metterà di nuovo in funzione il bruciatore.
In queste condizioni di funzionamento si può affermare che il sistema di controllo regola la
temperatura al valore di riferimento Tr con una precisione che è misurata dall'errore assoluto
pari a ΔT.
L'andamento della temperatura nel tempo è dunque del tipo di quello mostrato in fìg. 7.
Fig. 7
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Il funzionamento del blocco di confronto può essere descritto con una caratteristica di
trasferimento (ovvero di ingresso/uscita), tenendo presente che l'uscita è di tipo discreto a due
livelli. Come si osserva in fìg. 8 la caratteristica mette in evidenza la presenza di una isteresi.
Per sistemi come quelli ora esemplificati un termostato a lamina bimetallica assolve
contemporaneamente alle funzioni di sensore di temperatura e blocco di confronto.
Fig. 8
Caratteristica d’uscita del termostato
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Sistemi di controllo analogici o tempo continui
I sistemi di controllo analogici sono stati naturalmente i primi ad essere sviluppati ed ancora
oggi in presenza del diffondersi delle tecniche digitali si fanno preferire quando il requisito
essenziale è la velocità di risposta. Trovano comunque applicazione in sottosistemi che fanno
parte di sistemi di controllo gestiti da calcolatore.
Un sistema di controllo analogico viene rappresentato come in fìg. 11; si nota che il blocco di
confronto è realizzato da un cosiddetto «nodo di confronto» il quale opera la differenza fra
segnale di riferimento (set point SP = X0) e segnale di reazione X. Il segnale di errore si ricava
dunque semplicemente come differenza realizzata nel nodo di confronto (NC):
 = x – x0
Questo è il segnale che agisce sul blocco di comando (regolatore) per produrre l'uscita controllata.

S.P. =X0
(set point)
Regolatore
NC
Attuatore
Processo
X
Trasduttore
A questa categoria di sistemi appartiene il sistema di comando del timone, di cui si è parlato in
precedenza ed alla cui descrizione si rimanda come esempio delle modalità di funzionamento di
tutti i sistemi di questo tipo.
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Sistemi di controllo gestiti da calcolatore o tempo discreti
Quando il numero delle grandezze da controllare è elevato e la funzione di controllo complessa, è
necessario ricorrere a sistemi gestiti da microprocessore o calcolatore. Lo sviluppo ed il
raffinamento delle tecniche digitali di trattamento e manipolazione dei segnali ha consentito un
rapido diffondersi dei sistemi in questione in virtù dei costi sempre più contenuti che li rendono
economici anche per applicazioni limitate (citiamo come esempio sistemi di controllo di
ascensori e macchine a controllo numerico). Un requisito importante dei sistemi gestiti da
calcolare è la evidente flessibilità delle funzioni di controllo, che possono essere modificate in
ogni momento intervenendo opportunamente sul software di gestione. Soltanto la gestione
tramite calcolatore permette poi l'attuazione di quel controllo di processo che consente di
spingere l'automazione della produzione industriale verso limiti notevoli (fabbrica robotizzata).
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