{"id":1129,"date":"2019-09-27T07:50:57","date_gmt":"2019-09-27T05:50:57","guid":{"rendered":"http:\/\/techgoggler.com\/?p=1129"},"modified":"2023-03-29T18:54:13","modified_gmt":"2023-03-29T16:54:13","slug":"sistemi-di-controllo-ad-anello-aperto","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/techgoggler.com\/it\/sistemi-di-controllo-ad-anello-aperto\/","title":{"rendered":"I sistemi di controllo ad anello aperto"},"content":{"rendered":"

Come abbiamo visto nel precedente articolo sui sistemi elettronici<\/a>, un sistema pu\u00f2 essere definito come un insieme di sottosistemi che controllano un segnale di ingresso per produrre l’uscita desiderata. I sistemi di controllo ad anello aperto sono una delle possibili tipologie atte a realizzare questo scopo.<\/p>\n

La funzione di qualsiasi sistema elettronico \u00e8 quella di regolare automaticamente l’uscita (controllo automatico) e mantenerla all’interno del valore di input desiderato o \u201cset point\u201d. Se l’input del sistema cambia per qualsiasi motivo, l’output del sistema deve rispondere di conseguenza e modificarsi per riflettere il nuovo valore di input.<\/p>\n

Allo stesso modo, se interviene qualcosa che disturba l’output del sistema senza alcuna modifica al valore di input, il sistema deve rispondere riportando l’uscita al valore impostato precedente. In passato, i sistemi di controllo elettrici erano sostanzialmente manuali (chiamati sistemi ad anello aperto) con pochissime funzioni di controllo o di feedback automatico integrate per regolare la variabile di processo in modo da mantenere il livello o il valore di uscita desiderati.<\/p>\n

Ad esempio, un’asciugatrice elettrica. A seconda della quantit\u00e0 di vestiti o di quanto siano bagnati, un utente o un operatore imposter\u00e0 un timer (controller) diciamo a 30 minuti e alla fine dei 30 minuti l’asciugatrice si fermer\u00e0 automaticamente e si spegner\u00e0 anche se i vestiti risultassero ancora bagnati o umidi.<\/p>\n

In questo caso, l’azione di controllo \u00e8 l’operatore<\/strong> che manualmente valuta l’umidit\u00e0 dei vestiti e imposta il processo (l’essiccatore) di conseguenza.<\/p>\n

In questo esempio quindi, l’asciugabiancheria sarebbe un sistema ad anello aperto in quanto non monitora n\u00e9 misura la condizione del segnale di uscita, che \u00e8 la secchezza dei vestiti<\/strong>. Ne deriva che l’accuratezza del processo di asciugatura o il successo dell’asciugatura dei vestiti dipender\u00e0 dall’esperienza dell’utente (operatore).<\/p>\n

Tuttavia, l’utente pu\u00f2 regolare o mettere a punto il processo di asciugatura del sistema in qualsiasi momento aumentando o diminuendo il tempo di asciugatura dei controller di temporizzazione, se ritiene che il processo di asciugatura originale non sia soddisfacente. Ad esempio, egli pu\u00f2 aumentare il timer a 40 minuti per prolungare il processo di asciugatura. Consideriamo il seguente schema a blocchi ad anello aperto.<\/p>\n

\"Sistemi
Schema a blocchi di un sistema elettrico open-loop di asciugatura<\/figcaption><\/figure>\n

Quindi un sistema ad anello aperto, noto anche come sistema senza feedback, \u00e8 un tipo di sistema di controllo continuo in cui l’uscita non ha alcuna influenza o effetto sull’azione di controllo del segnale di ingresso. In altre parole, in un sistema di controllo ad anello aperto, l’uscita non viene misurata n\u00e9 “reintrodotta” per il confronto con l’ingresso. Pertanto, ci si aspetta (ciecamente!) che un sistema ad anello aperto segua fedelmente il suo comando di input o set point indipendentemente dal risultato finale.<\/p>\n

Inoltre, un sistema ad anello aperto non \u00e8 a conoscenza della condizione drlla uscita, quindi non pu\u00f2 auto-correggere eventuali errori che potrebbe commettere quando il valore preimpostato va alla deriva, anche se ci\u00f2 comportasse grandi deviazioni dal valore preimpostato.<\/p>\n

Un altro svantaggio dei sistemi ad anello aperto \u00e8 che sono scarsamente attrezzati per gestire i disturbi o cambiamenti nelle condizioni operative che possono ridurre la sua capacit\u00e0 di completare l’attivit\u00e0 desiderata. Ad esempio, la porta dell’asciugatrice si apre e il calore si perde. Il controller di temporizzazione continua indipendentemente per tutti i 30 minuti, ma i vestiti non vengono riscaldati o asciugati al termine del processo di asciugatura. Questo perch\u00e9 non vengono fornite informazioni per mantenere una temperatura costante.<\/p>\n

Si comprende allora che gli errori del sistema ad anello aperto possono disturbare il processo di asciugatura e quindi richiedono un’attenzione di supervisione aggiuntiva da parte di un utente (operatore). Il problema con questo approccio di controllo anticipato \u00e8 che l’utente dovrebbe controllare frequentemente la temperatura di processo e intraprendere qualsiasi azione correttiva di controllo ogni volta che il processo si discosta dal valore desiderato di asciugatura dei vestiti. Questo tipo di controllo manuale ad anello aperto che reagisce prima che si verifichi effettivamente un errore si chiama Feed forward Control.<\/p>\n

L’obiettivo del controllo Feed forward, noto anche come controllo predittivo, \u00e8 misurare o prevedere eventuali disturbi ad anello aperto e compensarli manualmente prima che la variabile controllata si discosti troppo dal setpoint originale. Quindi, per il nostro semplice esempio sopra, se la porta dell’essiccatore fosse aperta, sarebbe rilevata e chiusa consentendo al processo di asciugatura di continuare.<\/p>\n

Se applicato correttamente, lo scostamento del livello di asciugatura dei vestiti da quello desiderato alla fine dei 30 minuti sarebbe minima se l’utente avesse risposto alla situazione di errore (porta aperta) molto rapidamente. Tuttavia, questo approccio di feed forward potrebbe non essere completamente accurato se il sistema cambia: ad esempio se la diminuzione della temperatura di asciugatura non \u00e8 stata notata durante i 30 minuti del processo.<\/p>\n

Possiamo definire le caratteristiche principali di un “sistema ad anello aperto” come segue:<\/p>\n

    \n
  • Non vi \u00e8 alcun confronto tra i valori effettivi e quelli desiderati;<\/li>\n
  • Un sistema ad anello aperto non ha alcuna autoregolazione o azione di controllo sul valore di uscita;<\/li>\n
  • Ogni impostazione di ingresso determina una posizione operativa fissa per il controller;<\/li>\n
  • Cambiamenti o disturbi nelle condizioni esterne non comportano una modifica diretta dell’uscita (a meno che l’impostazione del controller non venga modificata manualmente).<\/li>\n<\/ul>\n

    Sistemi open-loop e funzione di trasferimento<\/h2>\n

    Qualsiasi sistema ad anello aperto pu\u00f2 essere rappresentato come pi\u00f9 blocchi in cascata in serie o come un singolo blocco con un ingresso e un’uscita. Lo schema a blocchi di un sistema ad anello aperto mostra che il percorso del segnale dall’ingresso all’uscita rappresenta un percorso lineare senza loop di feedback. All’ingresso viene data la designazione \u03b8i e all’uscita \u03b8o.<\/p>\n

    \"Sistema<\/p>\n

    In generale, non \u00e8 necessario manipolare lo schema a blocchi ad anello aperto per calcolare la sua effettiva funzione di trasferimento. Possiamo semplicemente scrivere le relazioni o le equazioni di ciascun blocco, e quindi calcolare la funzione di trasferimento finale da queste equazioni come mostrato.<\/p>\n

    Le funzioni di trasferimento di ciascun blocco sono:<\/p>\n

    \"G_{1}=\frac{\theta _{1}}{\theta _{i}}, \; G_{2}=\frac{\theta _{2}}{\theta _{1}},\; G_{3}=\frac{\theta _{o}}{\theta _{2}}\"<\/p>\n

    La funzione di trasferimento complessiva \u00e8 dunque:<\/p>\n

    \"G=G_{1}\times G_{2}\times G_{3}=\frac{\theta _{o}(s)}{\theta _{i}(s)}\"<\/p>\n

    I sistemi di controllo ad anello aperto sono spesso utilizzati per processi che richiedono il sequenziamento di eventi con l’ausilio di segnali “ON-OFF”. Ad esempio, una lavatrice per l’immissione di acqua richiede una commutazione su “ON” e quindi quando il livello \u00e8 raggiunto richiede una commutazione su “OFF”; in seguito l’elemento riscaldante verr\u00e0 acceso su “ON” per riscaldare l’acqua e raggiunta una temperatura adeguata verr\u00e0 commutato su “OFF”, e cos\u00ec via.<\/p>\n

    Questo tipo di controllo ad anello aperto \u201cON-OFF\u201d \u00e8 adatto a sistemi in cui le variazioni di carico<\/strong> si verificano lentamente e il processo agisce molto lentamente, richiedendo modifiche non frequenti all’azione di controllo da parte di un operatore.<\/p>\n

    Riepilogo sui sistemi di controllo ad anello aperto<\/h2>\n

    Abbiamo visto che un controller pu\u00f2 manipolare i suoi input per ottenere l’effetto desiderato sull’output di un sistema. Un tipo di sistema di controllo in cui l’uscita non ha influenza o effetto sull’azione di controllo del segnale di ingresso \u00e8 chiamato sistema ad anello aperto.<\/p>\n

    Un “sistema ad anello aperto” \u00e8 definito dal fatto che il segnale di uscita non viene n\u00e9 misurato n\u00e9 “reintrodotto” per il confronto con il segnale di ingresso o il set point del sistema. Pertanto i sistemi a circuito aperto sono comunemente denominati “sistemi senza feedback”.<\/p>\n

    Inoltre, poich\u00e9 un sistema a circuito aperto non utilizza il feedback per determinare se l’output richiesto \u00e8 stato raggiunto, “presuppone” che l’obiettivo desiderato dell’input abbia avuto successo perch\u00e9 non \u00e8 in grado di correggere eventuali errori che potrebbe commettere, e quindi non pu\u00f2 compensare alcun disturbi esterno al sistema.<\/p>\n

    Controllo motore ad anello aperto<\/h2>\n

    Quindi, ad esempio, assumiamo che il controller del motore CC sia come raffigurato. La velocit\u00e0 di rotazione del motore dipender\u00e0 dalla tensione fornita all’amplificatore<\/strong> (il controller) dal potenziometro. Il valore della tensione di ingresso potrebbe essere proporzionale alla posizione del potenziometro.<\/p>\n

    \"Controllo
    Controllo open loop di un motore CC<\/figcaption><\/figure>\n

    Se il potenziometro viene spostato verso il valore maggiore di resistenza, verr\u00e0 fornita la massima tensione positiva all’amplificatore e quindi la velocit\u00e0 massima al motore. Allo stesso modo, se il potenziometro viene spostato verso la resistenza minore, verr\u00e0 fornita tensione zero che rappresenta una velocit\u00e0 molto lenta o un arresto del motore.<\/p>\n

    Quindi la posizione del cursore potenziometrico rappresenta l’ingresso, \u03b8i che viene amplificato dall’amplificatore (controller) per pilotare il motore CC (processo) ad una velocit\u00e0 N impostata (set point) che rappresenta l’uscita, \u03b8o del sistema. Il motore continuer\u00e0 a ruotare a una velocit\u00e0 fissa determinata dalla posizione del potenziometro.<\/p>\n

    Poich\u00e9 il percorso del segnale dall’ingresso all’uscita \u00e8 un percorso diretto che non presenta alcun loop, il guadagno G <\/strong>complessivo del sistema sar\u00e0 dato dal prodotto dei valori in cascata dei singoli guadagni del potenziometro, dell’amplificatore, del motore e del carico. \u00c8 chiaramente desiderabile che la velocit\u00e0 di uscita del motore sia identica alla posizione del potenziometro, dando il guadagno complessivo del sistema come unit\u00e0.<\/p>\n

    Tuttavia, i singoli guadagni di potenziometro, amplificatore e motore possono variare nel tempo con variazioni della tensione o della temperatura, oppure il carico dei motori pu\u00f2 aumentare, e questi rappresentano disturbi esterni al sistema di controllo del motore ad anello aperto.<\/p>\n

    L’utente alla fine verr\u00e0 a conoscenza della variazione delle prestazioni del sistema (variazione della velocit\u00e0 del motore) e potr\u00e0 correggerla aumentando o diminuendo il segnale di ingresso del potenziometro in modo di mantenere la velocit\u00e0 originale o desiderata.<\/p>\n

    Il vantaggio di questo tipo di “controllo motore ad anello aperto” \u00e8 che \u00e8 potenzialmente economico e semplice da implementare, rendendolo ideale per l’uso in sistemi ben definiti dove il rapporto tra ingresso e uscita \u00e8 diretto e non influenzato da alcun disturbo esterno. Sfortunatamente questo tipo di sistema \u00e8 inadeguato quando intervengano variazioni o disturbi nel sistema che influenzano la velocit\u00e0 del motore. In tali casi \u00e8 necessaria un’altra forma di controllo.<\/p>\n