Sistemi di Controllo

Fissato un Sistema  S , che genera una grandezza di uscita  u(t)  in base alla sollecitazione  i(t) , si definisce Processo la successione degli Stati attraversati dal sistema per ottenere un particolare risultato finale.

Nel caso di Sistemi Discreti un processo può essere descritto attraverso un Diagramma degli Stati, mentre per Sistemi Continui occorre utilizzare un modello matematico.

Con il termine Controllo di Processo vengono indicate tutte le operazioni necessarie per ottenere nel tempo una sequenza prefissata di valori dalle grandezze del processo, indipendentemente dalla presenza di eventuali fattori esterni incontrollabili che agiscono sul sistema, detti Disturbi. I disturbi possono essere dovuti a cause esterne, all'invecchiamento dei componenti, a fenomeni legati al funzionamento stesso del sistema.
Occorre precisare che, se il sistema controllato è in genere il più soggetto ad alterazioni di funzionamento, errori più o meno gravi possono colpire anche i dispositivi di controllo.

L'azione del Controllo (o, più precisamente, del Comando) viene eseguita da un dispositivo detto, appunto, Sistema di Controllo. 

I Sistemi di Controllo si possono dividere in due gruppi:

• Regolatori 
  sono usati quando si desidera che una determinata grandezza che interviene in un processo assuma un valore costante: tale valore viene chiamato set-point della variabile (ad esempio il controllo della temperatura di un forno, del livello di un serbatoio, della pressione di una camera iperbarica).

• Servomeccanismi
  permettono di guidare la grandezza di uscita secondo una sequenza prefissata (ad esempio i controlli di posizione nel movimento di un braccio meccanico o nella traiettoria di un missile).

Poiché, generalmente, il segnale di uscita del sistema di controllo non è adatto a sollecitare direttamente il sistema controllato, è necessario introdurre un ulteriore blocco, detto Attuatore che abbia la funzione di amplificare l'uscita del controllore, adattandolo nello stesso tempo all'ingresso del sistema controllato. 
In molti casi l'attuatore utilizza una Valvola Proporzionale comandata da un segnale elettrico a bassa potenza inviato dal circuito elettronico di amplificazione (se necessaria) al circuito oleodinamico.
Per brevità chiameremo, seppur impropriamente, Valvola  il blocco "amplificatore - adattatore - controllo del flusso di ingresso al sistema".

Controllo a catena aperta
In un sistema a Catena Aperta (o ad Anello Aperto) il controllore agisce sul sistema, secondo il valore di riferimento r(t), basandosi unicamente sulla relazione conosciuta fra ingresso i(t) e uscita u(t).
Se l'output del sistema non è quello desiderato, il sistema di controllo non può in alcun modo accorgersi dell'errore, né tanto meno modificare l'input del sistema. In tal modo la garanzia del risultato è affidata alla precisione del modello matematico ed all'assenza di disturbi.
Questi sistemi vengono utilizzati quando il funzionamento del sistema è abbastanza prevedibile e/o non è richiesta una particolare precisione dei valori di uscita.

Controllo a catena chiusa
In questo caso l'uscita del sistema da controllare viene continuamente valutata in modo da modificare opportunamente l'ingresso del sistema stesso.
Il ramo di ritorno, da u(t) al comparatore, viene anche chiamato feed-back, o Ramo di Retroazione, mentre l'insieme delle due linee costituisce l'Anello di Regolazione. 

• Riferimento : è il segnale r(t), eventualmente costante, corrispondente all'uscita che si desidera ottenere dal sistema (set-point).

• Comparatore : è il blocco che confronta il segnale di riferimento con l'uscita del sistema, valutando l'errore assoluto e(t) = x(t) - r(t). L'errore e(t) misura quanto l'uscita del sistema si discosta dal valore desiderato: errore positivo se l'uscita supera il set-point; viceversa negativo.

• Controllore : è il dispositivo che, in base all'errore e(t) e con metodi diversi a seconda del tipo di controllo implementato, elabora un valore y(t) corrispondente all'ingresso del sistema da controllare.

• Attuatore : è il blocco che trasforma ed amplifica il segnale y(t), in modo da generare un'opportuna sollecitazione i(t) al sistema. 

• Sistema : può essere un forno, un serbatoio o un qualsiasi processo industriale di cui si voglia controllare una o più variabili (per semplicità ci riferiremo al caso di una sola variabile, o a variabili che possano essere comunque valutate indipendentemente l'una dalle altre). Il valore della grandezza controllata u(t) deve essere misurato e trasformato, poiché in genere non è compatibile direttamente con l'ingresso del comparatore.

• Trasduttore : è il blocco che trasforma l'uscita del sistema in un segnale x(t) compatibile con il comparatore, che lo confronterà con il riferimento r(t) in modo da valutare gli opportuni interventi di correzione sul sistema. La misura non riporta quasi mai istantaneamente il valore dell'uscita, ma è soggetta ad un errore sistematico dovuto al tempo necessario per l'acquisizione del valore; fissato un certo valore u1=u(t1), il trasduttore registrerà questa misura solo all'istante t2 : l'intervallo t2-t1 viene detto Ritardo della Misura.

• Disturbi : sono fenomeni che alterano il corretto funzionamento del sistema; possono agire anche su altri componenti della catena.

Controllo di tipo misto
In una catena di regolazione si possono combinare i due metodi precedenti per tendere ad ottenere prestazioni ottimali.

Il controllore agisce sul sistema, in base al segnale di riferimento, utilizzando il modello matematico del sistema controllato, ovvero in base alla relazione conosciuta tra i(t) e u(t).
Le ulteriori sollecitazioni dovute ai disturbi vengono controllate con l'aggiunta di un anello chiuso.

Regolatori
Ci occuperemo ora dei Regolatori, ovvero dei dispositivi che, basandosi su di un riferimento costante (set-point), cercano di stabilizzare una determinata grandezza che interviene in un processo. 
Possiamo distinguere due categorie di sistemi: