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Giuseppe Langella » 24.Regolazione - Parte Prima


Aspetti generali

Nell’ambito della produzione del calore la regolazione automatica dell’impianto termico gioca senza dubbio un ruolo di fondamentale importanza, tanto che attualmente sarebbe impossibile immaginare, anche per un operatore esperto, una gestione efficiente e sicura di una centrale termica senza l’ausilio delle tecnologie più moderne che l’automazione mette a disposizione. In particolare la regolazione di un generatore di vapore rappresenta uno degli aspetti essenziali e indiscutibilmente più complessi nel settore più generale della regolazione di un impianto termico.

Difatti, il progetto di un regolatore tramite metodi matematici è realizzabile solo se la dinamica del sistema che si vuole controllare è abbastanza semplice e nota. Però quando si considera un generatore di vapore subito ci si rendo conto di trovarsi di fronte ad un processo estremamente difficile da modellare, sia per l’enorme numero di variabili masse in gioco, sia perché in esso sono presenti non-linearità abbastanza pronunciate di cui si deve tener conto se si vuole tentare di costruire un modello seppur approssimato di esso.

É opportuno osservare che il costo dell’impianto influenza enormemente le scelte riguardanti il tipo di controllo da effettuare. Nel caso si abbiano impianti di notevole costo e complessità è importante avere un controllo raffinato. E’ necessario avere un modello del processo il più possibile accurato, di modo che un esperto di controlli riesca a  progettare un controllore efficiente.

Aspetti generali

Nel caso, invece, si abbia a che fare con impianti di piccole-medie dimensioni. É poco conveniente ricorrere a tecniche di controllo raffinate. Inoltre la realtà mostra che, in tali casi, l’operatore addetto alla definizione della legge di controllo per il sistema a controreazione non è esperto di controlli automatici quindi può trovarsi in difficoltà nella definizione della messa a punto di un sistema di controllo.

Per questi tipi di esigenze, l’automatica mette a disposizione delle apparecchiature note come controllori  standard.  Essi permettono, qualora non si abbia a disposizione il modello del processo oppure se l’operatore è un persona non “addetta ai lavori” nel campo della progettazione dei sistemi di controllo di poter eseguire una regolazione del processo selezionando alcune azioni standard di controllo. In questo caso il regolatore non si progetta ma si predispone: cioè la scelta dei parametri del regolatore non è fatta in base a considerazioni di tipo progettuale – analitico (in cui identificato il processo, si sceglie tra i vari tipi di azione la più opportuna per rispondere ad un certo insieme di specifiche cui deve soddisfare il sistema controreazionato) ma si tenta, identificando in qualche modo le proprietà del processo da controllare di ricavare delle regole semplici e generali per effettuare la predisposizione e cioè la scelta dei parametri del regolatore.

L’implementazione dei regolatori standard ha subito, comunque, nel corso degli anni, una notevole evoluzione grazie anche all’avvento dell’elettronica e dell’informatica che hanno permesso una realizzazione di sistemi di regolazione che fanno della flessibilità di utilizzo e della potenza computazionale i loro punti di forza.

Precisazioni iniziali

Un processo si dice regolato, quando esiste un sistema che agisce su qualche organo, al fine di mantenere costante la grandezza in esame.

Un processo si dice controllato, quando esiste un sistema che agisce su qualche organo, al fine di far variare la grandezza in esame secondo una legge prefissata.

L’insieme delle apparecchiature in grado di funzionare nel modo descritto, prende il nome di sistema di regolazione, o sistema di controllo.

Con riferimento alle modalità di funzionamento, i sistemi di regolazione e di controllo possono essere classificati in:

  • sistemi in circuito aperto
  • sistemi in circuiti chiuso

Regolazione in circuito aperto

Per regolazione o controllo in circuito aperto si intende un semplice comando, al quale non viene fatta seguire un’azione di verifica del risultato ottenuto. Ciò significa che in un sistema di questo tipo, ad ogni valore del segnale d’ingresso si suppone corrisponda un certo valore della variabile d’uscita, ovvero della grandezza regolata (o controllata).

Il controllore è comandato solo dai valori delle grandezze d’ingresso senza prendere in considerazione il valore della grandezza d’uscita.

É evidente che per ottenere buoni risultati, devono restare costanti tutti i parametri di funzionamento (assenza di disturbi), poiché il sistema non è in grado di rilevare, e quindi di correggere automaticamente, eventuali differenze tra il valore reale della variabile di uscita e quello desiderato.

Schema della regolazione in circuito aperto

Schema della regolazione in circuito aperto


Regolazione in circuito chiuso

La regolazione in circuito aperto è quindi utilizzata per sistemi di basse prestazioni, o quando c’è comunque un operatore che controlla visivamente il risultato ottenuto (come avviene ad esempio nei telecomandi). Certamente i generatori di vapore non sono controllati con sistemi di questo tipo e richiedono una regolazione in circuito chiuso.

La regolazione o controllo in circuito chiuso (detto anche controllo a controreazione) consiste nel fare agire un regolatore in funzione della grandezza che esso controlla. Un sistema di questo tipo si basa sul principio secondo il quale (vedi figura) dato il sistema S sottoposto a disturbi diversi z, si hanno delle variazioni della grandezza in uscita y (variabile da regolare). Tale grandezza, trasformata in segnale di retroazione mediante il trasduttore T e confrontata con un segnale di riferimento prefissato r (detto valore di SET POINT), determina un segnale di errore e che rappresenta una misura dello scostamento dal valore prefissato. Il controllore C trasforma poi il segnale e in una variazione di x, detto segnale di pilotaggio, che agisce in modo opportuno sul sistema S in modo che la grandezza y si riporti al valore di riferimento.

Schema della regolazione in circuito chiuso

Schema della regolazione in circuito chiuso


Difficoltà di regolazione

Dati i due tempi caratteristici del sistema di regolazione:

  • costante di tempo equivalente, funzione del sistema da controllare
  • tempo di ritardo equivalente; questo valore è destabilizzante poiché, dopo che il regolatore ha svolto un’azione, esso non può osservarne gli effetti prima che sia trascorso il tempo di ritardo

la difficoltà di regolazione di un sistema, in funzione del suo comportamento dinamico, può essere quantificata dal rapporto tra il suo tempo di ritardo e la sua costante di tempo:

λ= (tempo di ritardo quivalente/ costante di tempo equivalente)

Il rapporto così definito viene chiamato grado di difficoltà di regolazione.

Più il suo valore è piccolo, più facile è la regolazione; in particolare:

Difficoltà di regolazione

  • per λ < 0.1   la regolazione è considerata facile
  • per 0.1< λ <0.3   la regolazione è considerata di media difficoltà
  • per λ >0.3   la regolazione è considerata difficile

É quindi importante minimizzare i ritardi (ad esempio posizionando i sensori il più vicino possibile al luogo su cui agisce il regolatore) per ottenere una migliore qualità di regolazione.

In generale i sistemi più facili da trattare sono quelli lenti, mentre quelli più difficili sono quelli rapidi.

Esistono diversi tipi di sistemi di regolazione (in circuiti chiusi), che consentono di soddisfare le svariate problematiche di controllo e regolazione.

Classificazione dei regolatori

I regolatori sono classificati in due gruppi principali a seconda del metodo di calcolo dell’intervento:

Regolatori non progressivi. Essi non possono imporre altro che due o più posizioni fisse all’organo di regolazione. I principali sono:

  • Regolatori a due posizioni: tutto o niente.
  • Regolatori a posizioni multiple.
  • Regolatori modulati tutto o niente.

Regolatori progressivi. Impongono all’organo di regolazione una posizione qualunque del suo campo di funzionamento. I principali sono:

  • Regolatori flottanti
  • Regolatori proporzionali (P)
  • Regolatori integrali (I)
  • Regolatori proporzionali integrali (PI)
  • Regolatori proporzionali integrali derivativi (PID)
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