I sistemi elettronici di controllo: generalità

I sistemi elettronici

I sistemi (elettronici) sono l’interconnessione fisica di componenti o parti che organicamente raccolgono alcune informazioni e le elaborano. Questa raccolta avviene con l’ausilio di dispositivi di input (sensori), che rispondono in qualche modo a queste informazioni utilizzando l’energia elettrica. Questi segnali a loro volta possono essere elaborati per costituire un’azione di output atta a controllare un processo fisico. Se i segnali in gioco sono elettrici e i dispositivi sono di natura elettronica, si parla di sistemi elettronici di controllo.

I sistemi elettronici di controllo possono anche essere considerati come un processo che trasforma un segnale in un altro in modo da fornire la risposta desiderata del sistema. Quindi possiamo dire che un semplice sistema elettronico di controllo è costituito da un ingresso (segnale), un processo e un’uscita (segnale).

Esistono molti modi per rappresentare un sistema, ad esempio: matematicamente, descrittivamente, pittoricamente o schematicamente. I sistemi elettronici sono generalmente rappresentati schematicamente come una serie di blocchi e segnali interconnessi con ogni blocco e con il proprio set di ingressi e uscite.

Di conseguenza, anche il più complesso dei sistemi elettronici di controllo può essere rappresentato da una combinazione di blocchi semplici, con ciascun blocco che rappresenta un singolo componente o un sottosistema completo. La rappresentazione di un sistema elettronico con un certo numero di blocchi o scatole interconnesse è comunemente nota come “rappresentazione con schema a blocchi”.

Sistemi di controllo elettronico

I sistemi elettronici hanno sia ingressi che uscite: l’uscita o le uscite vengono generate elaborando gli ingressi. Queste uscite producono un “cambiamento” sul comportamento del sistema controllato. Gli input di un sistema sono dunque le “cause” di questo cambiamento, mentre l’azione risultante che si traduce sull’uscita è chiamata “effetto”.

In altre parole, un sistema elettronico può essere classificato come “causale”, in quanto esiste una relazione diretta di causa-effetto tra il suo input e il suo output. L’analisi dei sistemi elettronici e la teoria del controllo dei processi si basano generalmente su questa analisi di causa ed effetto.

Ad esempio, in un sistema audio, un microfono (dispositivo di input) fa sì che le onde sonore vengano convertite in segnali elettrici per l’amplificazione (un processo) e un altoparlante (dispositivo di output) produce onde sonore come effetto di essere stato pilotato dai segnali elettrici dell’amplificatore.

Ma un sistema elettronico non deve essere un’operazione semplice o singola. Può anche essere un’interconnessione di diversi sottosistemi che lavorano tutti insieme all’interno dello stesso sistema generale. Il nostro sistema audio potrebbe, ad esempio, coinvolgere la connessione di un lettore CD, un lettore DVD, un lettore MP3 o un ricevitore radio che sono tutti ingressi multipli allo stesso amplificatore che a sua volta guida uno o più set di altoparlanti surround.

Un sistema elettronico non può essere quindi solo una raccolta di ingressi e uscite, deve “fare qualcosa”, anche se questo qualcosa fosse solo accendere una luce. Sappiamo che i sensori sono dispositivi di input che rilevano o trasformano le misurazioni del mondo reale in segnali elettrici che possono poi essere elaborati. Questi segnali elettrici possono essere tensioni o correnti all’interno di un circuito. Il dispositivo di uscita invece è chiamato attuatore, in quanto converte il segnale elaborato in qualche operazione o azione, generalmente sotto forma di movimento meccanico.

Tipi di sistemi elettronici di controllo

I sistemi elettronici funzionano su segnali a tempo continuo (CT) o segnali a tempo discreto (DT). Un sistema a tempo continuo è quello in cui i segnali di ingresso sono definiti lungo un continuum di tempo, come un segnale analogico che “continua” nel tempo producendo appunto un segnale a tempo continuo.

Segnali continui

Ma un segnale a tempo continuo può anche variare in ampiezza o essere di natura periodica con un certo periodo di tempo T. Di conseguenza, i sistemi elettronici a tempo continuo tendono ad essere sistemi puramente analogici che producono un’operazione lineare su entrambi i loro segnali, di ingresso e uscita, riferiti a un determinato periodo di tempo.

Ad esempio, la temperatura di una stanza può essere vista come un segnale continuo. Possiamo rappresentare un segnale continuo nel tempo usando t come variabile indipendente e x(t) e y(t) come segnali di ingresso e di uscita al variare di t.

Generalmente, la maggior parte dei segnali presenti nel mondo fisico tendono ad essere segnali a tempo continuo. Ad esempio, tensione, corrente, temperatura, pressione, velocità, ecc.

D’altra parte, un sistema a tempo discreto è uno in cui i segnali di ingresso non sono continui ma una sequenza o una serie di valori di segnale definiti in punti “discreti” del tempo. Ciò si traduce in un output a tempo discreto generalmente rappresentato come una sequenza di valori o numeri.

Segnali discreti

Generalmente un segnale discreto viene specificato solo a intervalli, valori o punti equidistanti nel tempo. Quindi, ad esempio, la temperatura di una stanza misurata alle 13:00, alle 14:00, alle 15:00 e di nuovo alle 16:00, senza registrare la temperatura effettiva della stanza nell’intervallo compreso tra questi valori come ad esempio, 13:30 o 14:45.

Tuttavia, un segnale a tempo continuo, x(t) può essere rappresentato come un insieme discreto di valori su intervalli discreti o “momenti nel tempo”. I segnali discreti non vengono misurati rispetto al tempo, ma vengono invece tracciati a intervalli di tempo discreti, dove n è l’intervallo di campionamento (quindi n=1,2,3..). Di conseguenza, i segnali a tempo discreto sono generalmente indicati come x(n) che rappresenta l’ingresso e y(n) che rappresenta l’uscita.

Sistemi continui e sistemi discreti

Interconnessione di sistemi

Uno degli aspetti pratici della rappresentazione dei sitemi con schema a blocchi è che questi possono essere combinati insieme in serie o in parallelo per formare sistemi più grandi e complessi. Molti sistemi reali sono costruiti utilizzando l’interconnessione di diversi sottosistemi; utilizzando i diagrammi a blocchi per rappresentare ciascun sottosistema possiamo costruire una rappresentazione grafica dell’intero sistema analizzato.

Connessione in serie

Sistemi connessi in serie

In un sistema a tempo continuo collegato in serie, il segnale di uscita y(t) del primo sottosistema, “A” diventa il segnale di ingresso del secondo sottosistema “B” la cui uscita diventa l’ingresso del terzo sottosistema, “C” e così via attraverso la catena della serie dando A x B x C, ecc.

Quindi il segnale di ingresso originale viene messo in cascata attraverso un sistema collegato in serie. Nel caso di due sottosistemi collegati in serie, l’uscita equivalente sarà uguale alla moltiplicazione dei sistemi, ovvero y(t) = [G1(s) x G2(s)] x x(t), dove G1 e G2 rappresentano le funzioni di trasferimento dei sottosistemi e G = G1(s) x G2(s) rappresenta la funzione di trasferimento del sistema equivalente.

Il termine “Funzione di trasferimento” di un sistema è definito come la relazione matematica tra output e input del sistema, ovvero output/input e quindi descrive il comportamento del sistema.

Inoltre, per un sistema collegato in serie, l’ordine in cui viene eseguita un’operazione in serie non ha importanza per i segnali di ingresso e uscita in quanto: G1(s) x G2(s) è uguale a G2(s) x G1( S). Un esempio di un sistema collegato in serie semplice potrebbe essere un singolo microfono che alimenta un amplificatore seguito da un altoparlante.

Connessione in parallelo

In un sistema a tempo continuo collegato in parallelo, ciascun sottosistema riceve lo stesso segnale di ingresso e le loro singole uscite vengono sommate per produrre un’uscita complessiva, y(t). Quindi, per due sottosistemi collegati in parallelo, l’uscita singola equivalente sarà la somma dei due singoli ingressi, ovvero y(t) = [G1 (s) + G2 (s)] x x(t).

Sistemi collegati in parallelo

Un esempio di un semplice sistema collegato in parallelo potrebbe essere costituito da diversi microfoni collegati a un mixer che a sua volta alimenta un amplificatore e un sistema di altoparlanti.

Sistemi con retroazione

Un’altra importante interconnessione di sistemi ampiamente utilizzata nei sistemi di controllo è la “configurazione a retroazione”. Nei sistemi a retroazione (detti anche con feedback), una frazione del segnale di uscita viene “ritrasmessa” e aggiunta o sottratta dal segnale di ingresso originale. Il risultato è che l’output del sistema altera o aggiorna continuamente i suoi input allo scopo di modificare la risposta di un sistema per migliorarne la stabilità. Un sistema con feedback è anche comunemente chiamato “Sistema ad anello chiuso”, come mostrato in figura.

Sistemi con retroazione

Sistema con retroazione ad anello chiuso

I sistemi con feedback sono utilizzati nella maggior parte dei progetti di sistemi elettronici pratici per aiutare a stabilizzare il sistema e aumentarne il controllo. Se il circuito di retroazione riduce il valore del segnale originale, il circuito di retroazione è noto come a “feedback negativo”. Se il circuito di retroazione aumenta il valore del segnale originale, il circuito di retroazione è noto come a “feedback positivo”.

Un esempio di un semplice sistema con feedback potrebbe essere un sistema di riscaldamento casalingo controllato da un termostato. Se la casa è troppo calda, il circuito di feedback commuta su “OFF” il sistema di riscaldamento per rendere la casa più fredda. Se la casa è troppo fredda, il circuito di feedback commuta su “ON” il sistema di riscaldamento per rendere la casa più calda. In questo caso, il sistema comprende il sistema di riscaldamento, la temperatura dell’aria e il circuito di feedback controllato termostaticamente.

Riepilogo dei sistemi elettronici di controllo

Abbiamo visto che un semplice sistema elettronico è costituito da un input, un processo, un’uscita e molto spesso un collegamento con feedback. I sistemi elettronici possono essere rappresentati utilizzando diagrammi a blocchi interconnessi in cui le linee tra ciascun blocco o sottosistema rappresentano sia il flusso che la direzione di un segnale attraverso il sistema.

Gli schemi a blocchi non devono necessariamente rappresentare un singolo sistema semplice ma possono rappresentare sistemi molto complessi realizzati da molti sottosistemi interconnessi. Questi sottosistemi possono essere collegati insieme in serie, in parallelo o in combinazione di entrambi a seconda del flusso dei segnali.

Abbiamo anche visto che segnali e sistemi elettronici possono essere a tempo continuo o a tempo discreto e possono essere analogici, digitali o entrambi. I loop di feedback possono essere utilizzati per aumentare o ridurre le prestazioni di un particolare sistema fornendo una migliore stabilità e controllo. Il controllo è il processo che si prefigge di “controllare” una variabile del sistema, ovvero di portarla a un determinato valore, chiamato valore di riferimento.

About the Author

Carlo Bazzo
has studied Electronic Engineering at University of Padua and gained a Masters Qualifier Certification in Electronic Systems from DCU. He had been teaching Electronic Systems, Computer Science and Telecommunication courses for several years at various level in public and private colleges. Speaker about IT Security, E-Privacy and digital transformation, he is founder of Epysoft and currently working as CTO at HDEMO. @carlobazzo