I sistemi di controllo ad anello aperto

I sistemi di controllo open loop

Come abbiamo visto nel precedente articolo sui sistemi elettronici, un sistema può 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.

La funzione di qualsiasi sistema elettronico è quella di regolare automaticamente l’uscita (controllo automatico) e mantenerla all’interno del valore di input desiderato o “set point”. 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.

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.

Ad esempio, un’asciugatrice elettrica. A seconda della quantità di vestiti o di quanto siano bagnati, un utente o un operatore imposterà un timer (controller) diciamo a 30 minuti e alla fine dei 30 minuti l’asciugatrice si fermerà automaticamente e si spegnerà anche se i vestiti risultassero ancora bagnati o umidi.

In questo caso, l’azione di controllo è l’operatore che manualmente valuta l’umidità dei vestiti e imposta il processo (l’essiccatore) di conseguenza.

In questo esempio quindi, l’asciugabiancheria sarebbe un sistema ad anello aperto in quanto non monitora né misura la condizione del segnale di uscita, che è la secchezza dei vestiti. Ne deriva che l’accuratezza del processo di asciugatura o il successo dell’asciugatura dei vestiti dipenderà dall’esperienza dell’utente (operatore).

Tuttavia, l’utente può 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 può aumentare il timer a 40 minuti per prolungare il processo di asciugatura. Consideriamo il seguente schema a blocchi ad anello aperto.

Sistemi open loop

Schema a blocchi di un sistema elettrico open-loop di asciugatura

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 ad anello aperto, l’uscita non viene misurata né “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.

Inoltre, un sistema ad anello aperto non è a conoscenza della condizione drlla uscita, quindi non può auto-correggere eventuali errori che potrebbe commettere quando il valore preimpostato va alla deriva, anche se ciò comportasse grandi deviazioni dal valore preimpostato.

Un altro svantaggio dei sistemi ad anello aperto è che sono scarsamente attrezzati per gestire i disturbi o cambiamenti nelle condizioni operative che possono ridurre la sua capacità di completare l’attività 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 perché non vengono fornite informazioni per mantenere una temperatura costante.

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 è 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.

L’obiettivo del controllo Feed forward, noto anche come controllo predittivo, è 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.

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 è stata notata durante i 30 minuti del processo.

Possiamo definire le caratteristiche principali di un “sistema ad anello aperto” come segue:

  • Non vi è alcun 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;
  • Cambiamenti o disturbi nelle condizioni esterne non comportano una modifica diretta dell’uscita (a meno che l’impostazione del controller non venga modificata manualmente).

Sistemi open-loop e funzione di trasferimento

Qualsiasi sistema ad anello aperto può essere rappresentato come più 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 θi e all’uscita θo.

Sistema open loop generico

In generale, non è 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.

Le funzioni di trasferimento di ciascun blocco sono:

G_{1}=\frac{\theta _{1}}{\theta _{i}}, \; G_{2}=\frac{\theta _{2}}{\theta _{1}},\; G_{3}=\frac{\theta _{o}}{\theta _{2}}

La funzione di trasferimento complessiva è dunque:

G=G_{1}\times G_{2}\times G_{3}=\frac{\theta _{o}(s)}{\theta _{i}(s)}

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 è raggiunto richiede una commutazione su “OFF”; in seguito l’elemento riscaldante verrà acceso su “ON” per riscaldare l’acqua e raggiunta una temperatura adeguata verrà commutato su “OFF”, e così via.

Questo tipo di controllo ad anello aperto “ON-OFF” è adatto a sistemi in cui le variazioni di carico si verificano lentamente e il processo agisce molto lentamente, richiedendo modifiche non frequenti all’azione di controllo da parte di un operatore.

Riepilogo sui sistemi di controllo ad anello aperto

Abbiamo visto che un controller può 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 è chiamato sistema ad anello aperto.

Un “sistema ad anello aperto” è definito dal fatto che il segnale di uscita non viene né misurato né “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”.

Inoltre, poiché un sistema a circuito 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 è in grado di correggere eventuali errori che potrebbe commettere, e quindi non può compensare alcun disturbi esterno al sistema.

Controllo motore ad anello aperto

Quindi, ad esempio, assumiamo che il controller del motore CC sia come raffigurato. 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.

Controllo open loop di un motore CC

Controllo open loop di un motore CC

Se il potenziometro viene spostato verso il valore maggiore di resistenza, verrà fornita la massima tensione positiva all’amplificatore e quindi la velocità massima al motore. Allo stesso modo, se il potenziometro viene spostato verso la resistenza minore, verrà fornita tensione zero che rappresenta una velocità molto lenta o un arresto del motore.

Quindi la posizione del cursore potenziometrico rappresenta l’ingresso, θi che viene amplificato dall’amplificatore (controller) per pilotare il motore CC (processo) ad una velocità N impostata (set point) 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 presenta alcun loop, il guadagno G complessivo del sistema sarà dato dal prodotto dei valori in cascata dei singoli guadagni del potenziometro, dell’amplificatore, del motore e del carico. È chiaramente desiderabile 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 di potenziometro, amplificatore e motore possono variare nel tempo con variazioni della tensione o della temperatura, oppure il carico dei motori può aumentare, e questi rappresentano disturbi esterni al sistema di controllo del motore ad anello aperto.

L’utente alla fine verrà a conoscenza della variazione delle prestazioni del sistema (variazione della velocità del motore) e potrà correggerla aumentando o diminuendo il segnale di ingresso del potenziometro in modo di mantenere la velocità originale o desiderata.

Il vantaggio 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 dove il rapporto tra ingresso e uscita è diretto e non influenzato da alcun disturbo esterno. Sfortunatamente questo tipo di sistema è inadeguato quando intervengano variazioni o disturbi nel sistema che influenzano la velocità del motore. In tali casi è necessaria un’altra forma di controllo.

About the Author

Carlo Bazzo
has studied Electronic Engineering at University of Padua and gained a Masters Qualifier Certification in Electronic Systems from DCU. Speaker about IT Security, E-Privacy and digital transformation, he is founder of Epysoft and currently working as CTO and marketing engineer at HDEMO. @carlobazzo