Nel precedente tutorial sui sistemi elettronici, abbiamo visto che un sistema può essere definito come un insieme di sottosistemi che dirigono o controllano un segnale di ingresso per produrre la condizione di uscita desiderata.
La funzione di qualsiasi sistema elettronico è quella di regolare automaticamente l’uscita e mantenerla all’interno del valore di ingresso o “set point”desiderato dai sistemi. Se l’input dei sistemi cambia per qualsiasi motivo, l’output del sistema deve rispondere di conseguenza e cambiare se stesso per riflettere il nuovo valore di input.,
Allo stesso modo, se succede qualcosa che disturba l’output dei sistemi senza alcuna modifica al valore di input, l’output deve rispondere tornando al suo valore impostato precedente. In passato, i sistemi di controllo elettrico erano fondamentalmente manuali o quello che viene chiamato un sistema a circuito aperto con pochissime funzioni di controllo automatico o feedback integrate per regolare la variabile di processo in modo da mantenere il livello o il valore di uscita desiderato.
Ad esempio, un’asciugatrice elettrica., A seconda della quantità di vestiti o di quanto siano bagnati, un utente o un operatore imposterebbe un timer (controller) per dire 30 minuti e alla fine dei 30 minuti l’essiccatore si fermerà automaticamente e si spegnerà anche se i vestiti sono ancora bagnati o umidi.
In questo caso, l’azione di controllo è l’operatore manuale che valuta l’umidità dei vestiti e imposta il processo (l’essiccatore) di conseguenza.
Quindi in questo esempio, l’asciugatrice sarebbe un sistema ad anello aperto in quanto non monitora o misura la condizione del segnale di uscita, che è la secchezza dei vestiti., Quindi l’accuratezza del processo di asciugatura o il successo dell’asciugatura dei vestiti dipenderanno dall’esperienza dell’utente (operatore).
Tuttavia, l’utente può regolare o mettere a punto il processo di essiccazione del sistema in qualsiasi momento aumentando o diminuendo il tempo di asciugatura dei controller di temporizzazione, se ritiene che il processo di essiccazione originale non sarà soddisfatto. Ad esempio, aumentando il regolatore di temporizzazione a 40 minuti per estendere il processo di essiccazione. Si consideri il seguente schema a blocchi ad anello aperto.,
Sistema di asciugatura ad anello aperto
Quindi un sistema ad anello aperto, noto anche come sistema senza feedback, è 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 a circuito aperto l’uscita non viene misurata né “alimentata” per il confronto con l’ingresso. Pertanto, un sistema ad anello aperto dovrebbe seguire fedelmente il suo comando di input o set point indipendentemente dal risultato finale.,
Inoltre, un sistema ad anello aperto non ha alcuna conoscenza della condizione di output, quindi non può auto-correggere eventuali errori che potrebbe fare quando il valore preimpostato deriva, anche se questo si traduce in grandi deviazioni dal valore preimpostato.
Un altro svantaggio dei sistemi ad anello aperto è che sono mal equipaggiati per gestire disturbi o cambiamenti nelle condizioni che possono ridurre la sua capacità di completare il compito desiderato. Ad esempio, la porta dell’essiccatore si apre e il calore viene perso., Il regolatore di temporizzazione continua a prescindere per l’intero 30 minuti, ma i vestiti non vengono riscaldati o asciugati alla fine del processo di asciugatura. Questo perché non ci sono informazioni alimentate indietro per mantenere una temperatura costante.
Allora possiamo vedere che gli errori di sistema ad anello aperto possono disturbare il processo di essiccazione e quindi richiede un’attenzione di supervisione supplementare di un utente (operatore)., Il problema con questo approccio di controllo anticipatorio è che l’utente avrebbe bisogno di guardare la temperatura di processo frequentemente e prendere qualsiasi azione di controllo correttivo ogni volta che il processo di essiccazione deviato dal suo valore desiderato di asciugare i vestiti., Questo tipo di controllo manuale ad anello aperto che reagisce prima che si verifichi effettivamente un errore è chiamato Feed forward Control
L’obiettivo del feed forward control, noto anche come controllo predittivo, è misurare o prevedere eventuali potenziali disturbi ad anello aperto e compensarli manualmente prima che la variabile controllata si discosti troppo dal set point originale. Quindi, per il nostro semplice esempio sopra, se la porta degli essiccatori fosse aperta, sarebbe stata rilevata e chiusa consentendo al processo di essiccazione di continuare.,
Se applicato correttamente, la deviazione dai vestiti bagnati ai vestiti asciutti alla fine dei 30 minuti sarebbe minima se l’utente rispondesse alla situazione di errore (porta aperta) molto rapidamente. Tuttavia, questo approccio di avanzamento potrebbe non essere completamente accurato se il sistema cambia, ad esempio il calo della temperatura di asciugatura non è stato notato durante il processo di 30 minuti.
Quindi possiamo definire le caratteristiche principali di un “sistema a ciclo aperto” come:
- Non c’è confronto tra i valori effettivi e quelli desiderati.,
- Un sistema ad anello aperto non ha alcuna autoregolazione o azione di controllo sul valore di uscita.
- Ogni impostazione di ingresso determina una posizione operativa fissa per il controller.
- Le modifiche o i disturbi in condizioni esterne non comportano una modifica diretta dell’uscita (a meno che l’impostazione del controller non venga modificata manualmente).
Qualsiasi sistema ad anello aperto può essere rappresentato come più blocchi in cascata in serie o un singolo diagramma a blocchi 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 retroazione e per qualsiasi tipo di sistema di controllo all’ingresso viene data la designazione θi e l’uscita θo.
Generalmente, non dobbiamo manipolare il diagramma a blocchi ad anello aperto per calcolare la sua effettiva funzione di trasferimento. Possiamo semplicemente scrivere le relazioni o le equazioni corrette da ciascun diagramma a blocchi e quindi calcolare la funzione di trasferimento finale da queste equazioni come mostrato.,3>
La Funzione di Trasferimento di ogni blocco è quindi:
La funzione di trasferimento è data come:
Poi la Open loop Gain è dato semplicemente come:
Quando G rappresenta la Funzione di Trasferimento del sistema o sottosistema, può essere riscritto come: G(s) = ƻo(s)/θi(s)
Apri sistemi di controllo ad anello sono spesso utilizzati con i processi che richiedono la sequenza di eventi con l’aiuto di “ON-OFF” segnali., Per esempio una lavatrice che richiede l’acqua per essere acceso ” ON “e poi quando è pieno è acceso” OFF “seguito dall’elemento riscaldante essere acceso” ON “per riscaldare l’acqua e poi ad una temperatura adeguata è acceso” OFF”, e così via.
Questo tipo di controllo ad anello aperto “ON-OFF” è adatto per sistemi in cui le variazioni di carico avvengono lentamente e il processo è ad azione molto lenta, richiedendo modifiche poco frequenti all’azione di controllo da parte di un operatore.,
Sommario dei sistemi di controllo ad anello aperto
Abbiamo visto che un controller può manipolare i suoi ingressi per ottenere l’effetto desiderato sull’uscita di un sistema. Un tipo di sistema di controllo in cui l’uscita non ha alcuna influenza o effetto sull’azione di controllo del segnale di ingresso è chiamato sistema a circuito aperto.
Un “sistema a circuito aperto” è definito dal fatto che il segnale o la condizione di uscita non sono né misurati né “alimentati” per il confronto con il segnale di ingresso o il set point del sistema. Pertanto i sistemi ad anello aperto sono comunemente indicati come “sistemi senza feedback”.,
Inoltre, poiché un sistema a ciclo aperto non utilizza il feedback per determinare se l’output richiesto è stato raggiunto, “presuppone” che l’obiettivo desiderato dell’input abbia avuto successo perché non può correggere eventuali errori che potrebbe fare e quindi non può compensare eventuali disturbi esterni al sistema.
Controllo motore ad anello aperto
Quindi, ad esempio, assumere il controller del motore CC come mostrato. La velocità di rotazione del motore dipenderà dalla tensione fornita all’amplificatore (il controller) dal potenziometro., Il valore della tensione di ingresso potrebbe essere proporzionale alla posizione del potenziometro.
Se il potenziometro viene spostato nella parte superiore della resistenza, la massima tensione positiva verrà fornita all’amplificatore che rappresenta la massima velocità. Allo stesso modo, se il tergicristallo del potenziometro viene spostato sul fondo della resistenza, verrà fornita una tensione zero che rappresenta una velocità o un arresto molto lento.,
Quindi la posizione del cursore dei potenziometri rappresenta l’ingresso, θi che viene amplificato dall’amplificatore (controller) per pilotare il motore CC (processo) ad una velocità impostata N che rappresenta l’uscita, θo del sistema. Il motore continuerà a ruotare a una velocità fissa determinata dalla posizione del potenziometro.
Poiché il percorso del segnale dall’ingresso all’uscita è un percorso diretto che non fa parte di alcun ciclo, il guadagno complessivo del sistema sarà i valori in cascata dei singoli guadagni dal potenziometro, amplificatore, motore e carico., È chiaramente auspicabile che la velocità di uscita del motore sia identica alla posizione del potenziometro, dando il guadagno complessivo del sistema come unità.
Tuttavia, i singoli guadagni del potenziometro, dell’amplificatore e del motore possono variare nel tempo con variazioni della tensione di alimentazione o della temperatura, oppure il carico dei motori può aumentare rappresentando disturbi esterni al sistema di controllo del motore ad anello aperto.,
Ma l’utente alla fine verrà a conoscenza del cambiamento nelle prestazioni dei sistemi (variazione della velocità del motore) e potrebbe correggerlo aumentando o diminuendo il segnale di ingresso dei potenziometri di conseguenza per mantenere la velocità originale o desiderata.
I vantaggi di questo tipo di “controllo motore ad anello aperto” è che è potenzialmente economico e semplice da implementare rendendolo ideale per l’uso in sistemi ben definiti se il rapporto tra ingresso e uscita è diretto e non influenzato da eventuali disturbi esterni., Sfortunatamente questo tipo di sistema ad anello aperto è inadeguato in quanto variazioni o disturbi nel sistema influenzano la velocità del motore. Quindi è necessaria un’altra forma di controllo.
Nel prossimo tutorial sui sistemi elettronici, vedremo l’effetto di restituire parte del segnale di uscita all’ingresso in modo che il controllo dei sistemi si basi sulla differenza tra i valori effettivi e quelli desiderati. Questo tipo di sistema di controllo elettronico è chiamato Controllo a circuito chiuso.,
