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GianAntonio Magnani Giann i Ferretti Paolo Rocco Tecnologie dei sistemi di controllo - . Seconda ed izione .... ~=====~ McGraw-Hili BIBLIOTECA I DEL . DIPARTIMENTO DI , ElETTRONICA GianAntonio Magnani Gianni Ferretti Paolo Rocco Tecnologie dei sistemi di controllo Lanuovaedizionedi questo volume, fruttodellalungaespe rienzadiricercaedi insegnamento maturatadagliAutorinel campo delletecnologiedeisistemidi controlloedelcontrol lo del moto,proponela trattazionedegliaspetticoncettuali, metodologici e descrittivi inerenti la realizzazione di tali sisrerru. Il testo sidistingue per un'impostazionesistemisticache dà enfasi agli aspetti strumentali di maggiore impatto sul funzionamentodelsistema dicontrollonelsuo complesso. Coerentemente con questa impostazione, il testo tratta rernatiche proprie sia del controllo di processo sia del con trollo di sistemimeccanici,conspecifico riferimentoalcon trollodel moto.Questa nuovaedizione dedicaampiospazio a tale tema in ragionedella sua importanza nel settore delle macchineautomatiche,della robotica industrialeedeisiste midi trasporto. Il testo è rivolto aglistudentidelleFacoltàdi Ingegneria, Gianni Ferretti,GianAntonio in particolare dei corsi di studio in Ingegneria aerospaziale, Magnani ePaolo Roccosono dell'automazione, chimica, elettronica, informatica e mec Professori diAutomatica presso ilPolitecnico diMilano. carnea. POLITECNIC DI www.mcgraw-hill.it www.ateneonline.it MILANO € 30,00 (LL) Indice Prefazione XIII 1 Introduzione 1 2 Elementi dimodellistica 9 2.1 Introduzione.................... 9 2.2 Equazioni di conservazione per processi afluido. 9 2.2.1 Portatamassica evolumetrica . . . . . 9 2.2.2 Principio di conservazione della massa Il 2.2.3 Principiodi conservazione dell'energia 13 2.2.4 Equazione di Bernoulli 15 2.2.5 Processi termici . . . 18 2.3 Elementi di meccanica . . . 21 2.3.1 Quantità meccaniche 21 2.3.2 Forze e momenti . . 24 2.3.3 Equazioni dì moto . 25 2.4 Conversione elettromeccanica 27 2.4.1 Generazione di coppia motrice 27 2.4.2 Generazione diforza controelettromotrice 29 2.4.3 Principigenerali di conversione elettromeccanica 32 2.5 Problemi.......................... 35 3 Misura esensori 37 3.1 Introduzione.................. 37 3.2 Proprietà generali dei sensori . . . . . . . . . 38 3.2.I Accuratezza, ripetibilitàerangeability 38 3.2.2 Caratteristicastatica, sensibilitàerisoluzione 40 3.2.3 Comportamento dinamico 40 3.2.4 Scelta dei sensori 41 3.3 Sensori di temperatura 42 3.3.1 Tennocoppie....... 42 3.3.2 Sensori di temperaturaresistivie aserniconduttore 47 3.3.3 Tennistori...................... 48 3.4 Sensori di pressione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.1 Dispositivi basati sulla misura dell'altezzadiuna colonna di liquido (manometri acolonna). . . . . . . . . . . . .. 50 VI Indice 3.4.2 Dispositivibasatisulla misuradidcfonnazione di unelementoelastico _ . . . . . . . . . . . . . . . .. 51 3.4.3 Trasduzionc di unadeformazione inunsegnaleelettrico 53 3.5 Sensori diportata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.5.1 Dischi forati. boccaglicventurimetri . _. . . . 57 3.5.2 Sensoridi portata asezione variabile (rotametri) 59 3.5.3 Sensoridi portata avortici . . . . 60 3.5.4 Sensati diportataelettromagnetici 62 3.5.5 Sensorimassici 63 3.5.6 Sensorirotanti 64 3.6 Sensori dilivello . _. . . . . . . . . 65 3.6.1 Sensoria principio idrostatico 65 3.6.2 Sensori a principiocapacitivo 66 3.6.3 Sensori aultrasuoni . 66 3.6.4 Interruttori di livello . . . . . 67 3.7 Scnsori diposizione. . . . . . . . . . 67 3.7.1 Metodo di misura incrernentale 68 3.7.2 Metododi misuraassolnto 75 3.8 Sensori diaccelerazione 78 3.9 Prohlemi ......... . . .. . 80 4 Condlzlonamento econversionedeisegnali 83 4.1 Introduzione . _ _. 83 4.2 Ingressianalogici . . . . . . . . . . . . 84 4.2.1 Generalità . .. . . . . . . . . . 84 4.2.2 Accoppiamentie interferenze tracircuitiesegnali . 85 4.2.3 Amplificatoriper ilcondizionamento _ _ 90 4.2.4 Collegamentisingle-ended edifferenziali 91 4.2.5 Isolamentogalvanico . . . . 93 4.2.6 Segnali standard . .. . . . 95 4.2.7 Circuitidi condizionamento 96 4.2.8 Multiplexer.. . .. .. . . 102 4.2.9 Campionamentoe mantenimento 103 4.2.10 Conversione AID 106 4.3 Uscite analogiche . . . . . 109 4.3.1 Introduzione . . . 109 4.3.2 Condizionamento. 109 4.3.3 ConversioneDIA 110 4.4 Ingressieuscite digitali . . 112 -1.4.1 Introduzione .. . 112 4.4.2 Condizionamento. 112 4.5 Protezioni I14 4.6 Problemi _ 115 Indice VII 5 Attuatoriperil controllodeiflussidimaterialiedenergia 117 5.1 Introduzione...... 117 5.2 Circuiti idraulici. . . . 117 5.3 Valvoledi regolazione 118 5.3.1 Definizioni.. 119 5.3.2 Classificazione delle valvole(cenni) 120 5.3.3 Caratteristiche intrinseche ecoefficientediefflussoCv 121 5.3.4 Dipendenza della portatadal saltodipressione 124 5.3.5 Scelta edimensionamento . . 128 5.3.6 Fluidi comprimibili (cenni). . 137 5.3.7 Attuatorie servoposizionatori 137 5.4 Pompe............ 139 5.4.1 Pompe centrifughe. . . . . . 140 5.4.2 Pompe volumetriche . . . . . 143 5.5 Schemi dicollegamento e regolazione 145 5.5.1 Schematizzazione del problema dicontrollo della portata. 146 5.6 Problemi 147 6 Attuatoriperil controllodelmoto 149 6.1 Introduzione........................ 149 6.2 Motorielettrici amagneti permanenti acorrente continua 149 6.2.1 Strutturadel motore acorrente continua 149 6.2.2 Costante di coppia . . . . . . . . . . 153 6.2.3 Costante di forzacontroelettromotrice 155 6.2.4 Modello dinamico 155 6.2.5 Caratteristicacoppia-velocità. . . . . 156 6.2.6 Pregi edifetti del motore acorrente continua 157 6.3 Motori elettrici a magneti permanenti brushless 158 6.3.1 Principio di funzionamento. . . 158 6.3.2 TI motore brushlcss trapezio .. 161 6.3.3 11motore brushless sinusoidale . 166 6.4 Controllo dicorrente . . . . . . . . . . 171 6.4.1 Amplificatori di potenza . . . . 171 6.4.2 Progetto delcontrollore dicorrente 174 6.4.3 Controllo PWM (Pulse Width Modulation) 178 6.5 Attuatorioleodinamici 178 6.5.1 Uncircuito basilare peri'attuazione oleodinamica 180 6.5.2 Componenti perl'attuazione e la modulazione diportata 181 6.5.3 Modello di unservomeccanismooleodinamico 185 6.6 Problemi.............................. 190 7 Regolatoriindustriali 191 7.1 Introduzione..................... 191 7.1.1 Funzioni dei regolatori industriali . . . . . 191 7.1.2 Le ragioni del successo deiregolatori PID . 192 VIII Indice 7.1.3 Progetto integratodci processoe delcontrollo eruolodella simulazione dinamica. 193 7.2 Leggidicontrollo . . . . . 194 7.2.1 Schema csimbolidiriferimento 194 7.2.2 Controllo arelay . 194 7.2.3 Cuntrollo PID . . . . . . . . . . 195 7.3 Leggedicontrolloecaratteristichedelprocesso 202 7.3.1 Quandoè adegualounregolatore PIO 203 7.3.2 Processi delprimoordinecon ritardo .203 7.3.3 Processidel secondoordine conritardo 205 7.3.4 Cancellazionedeipoli del processo 205 7.3.5 Processi integrali . 206 7.3.6 Doppio integratore . . . . 206 7.4 Tararura manualee automatica . 207 7A.l Metodibasatisullo studio dellarispostaalloscalino 207 7.4.2 Metodibasatisullarispostainfrequenza. 212 7.4.3 Metodidi stimaparametrica . . . . 218 7.4.4 Controllo adattativo. . . 220 7.4.5 Tecnichediautotaraturaecontrollo adattativo neiregolatori commerciali 226 7.5 Problemi implementativi 227 7.5.1 Wind-updell'integratorc . . . .. 227 7.5.2 Commutazione manuale/automatico eautomaticoImanuale 230 7.6 Realizzazionedigitale . .. . . 231 7.6.1 Equivalenti discretideiregolatori PIO 231 7.6.2 Pseudocodicediun regolatore PIO .. 233 7.6.3 Sceltadella frequenza dicampionamento 236 7.7 Altre funzioni . . . . 239 7.7.1 Elaborazionisuisegnalidi misura 239 7.7.2 Allarmie autodiagnostica 239 7.7.3 Tnterfaccia verso l'operatore 240 7.7.4 Funzioni ausiliarie 241 7.7.5 Classificazionedeiprodotticommerciali . 241 7.8 Problemi . . . . . . . . . 243 8 Strutturedi controllo 245 8.\ Introduzione . 245 8.2 Controllo incascata . 245 8.2.1 Progetto . . . 247 8.2.2 Applicazioni tipiche 248 8.3 Controllo in andata(feedforward) 252 8.3.1 Compensazionedeldisturbo 253 8.3.2 Azionediretta (anticipo)dal sctpoint. 253 8.4 Predittore diSmith 256 8.5 Elementi nonlineari . . . . . . 259 Indice IX 8.5.1 Lirnitatori . 259 8.5.2 Controllo con scleuore 260 8.5.3 Controllo dirapporto 260 8.5.4 Controllo split-range . 264 8.6 Controllo multivariabile . . . . 265 8.6.1 Controllo non interagente 268 8.7 Problemi . 270 9 Controllo delmoto 271 9.\ Pianificazione del moto 271 9.J.l Generalità .. . 271 9.1.2 MOlo punto-punto 273 9.1.3 Messa in scala ditraiettorie. 282 9.1.4 Motosupercorso assegnato 284 9.2 Organi di trasmissione del moto . . 289 9.2.\ Funzione delloorganodi trasmissione 289 9.2.2 Harmonic Drive . . . 292 9.2.3 Elasticità torsionale . 294 9.2.4 L'attrito.. . . .. 295 9.2.5 Modello del carico . 299 9.2.6 Dimensionamento . 299 9.3 Controllodi posizione e velocità 303 9.3.1 Introduzione . . . . . . 303 9.3.2 Ruolo della dinamicaelettrica 304 9.3.3 L'approssimazione rigida . . . 305 9.3.4 Controllo P/PI di posizionec velocità 306 9.3.5 Ilmodello elastico . . . . . . . . . . 312 9.3.6 Controllo conmisure solo lato motore 319 9.3.7 Controllo conmisure lato carico . 328 9.3.8 Schemi avanzatidi controllo . . . 333 9.4 Controllodelmotoconattuatori idraulici 353 9.4.1 Premessa . . . .. ..... . . . 353 9.4.2 Accoppiamento rigidopistone-carico 354 9.4.3 Accoppiamento elastico pistone-carico 360 9.4.4 Considerazioniconclusive 364 9.5 Problemi . .... ..... .. . .. . .. . . . 365 lO Sistemielettrnnici perilcontrollo 369 10.\ Introduzione. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 10.\.1 Funzioni di un sistemadicontrollo ed automazione 369 10.1.2 Componentie prodotti peri sistemidicontrollo . . 371 10.1.3 Architetturedei sistemidi controllo di processo . . 372 10.1.4 Esempio l: architetturadi un controllore numerico 377 10.1.5 Esempio 2: architetturadiun sistemadi controllo avionico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 10.2 Elementidi comunicazioni digitali per i sistemidi controllo. 381 X Indìce 10.2.1 Collegamento fisico ... 382 10.2.2 Standard per ilivelli l e 2 383 10.3 Fieldbus . 392 10.3.1 FOUNDATION Fieldbus .. 393 A Specificae documentazione dei sistemi di controllo 399 A.l Diagrammi P&I . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 ALI Modalità di identificazionedegli strumenti 399 A.L2 Simboli grafici . 402 A.l.3 Dettagliodei diagrammi P&I. . . . . . 407 A.2 Esempi di fogli di specifica di valvolee sensori 407 B Amplificatorie collegamenti dimassa 413 8.1 Amplificatori operazionali ... 413 8.2 Amplificatori da strumentazione . 416 8.3 Amplificatori d'isolamento .... 418 BA Note sui collegamenti di massae terra 423 Bibliografia 427 1 Introduzione [ sistemi di controllo a microprocessore hanno trovato applicazione inizialmente inambito missiìistico,aeronautico, poi nei processi industriali e successivamente nel controllo di macchine automatiche di produzione, come le macchine utensili eirobot. A dispetto dellavarietàdegli ambiti applicativi letecnologie deisistemi di controllo hanno numerosi elementi comuni, in termini di principi,componenti earchitetture, Per controllare un processo industriale. definito come un "insiemedi trasfor mazioni etrasmissionidienergia,materiali,informazione,coordinateadunobiet tivo definito", è necessario poter intervenire sulle attività elementari che lo com pongono,al finedimodularneleuscite(adesempio,portatedivaporeodi prodotti di reazione, o potenze elettriche e termiche generate) e di garantire le condizioni fisiche (per esempio,temperaturee pressioni)di svolgimento più opportune, Le produzioni di vapore ed energia elettrica, di prodotti e derivati chimici e petrolchimici, di prodotti alimentarie metallurgici,dicarta,e materiali per l'edi lizia, sono esempi di tali processi produttivi industriali. [n essi sono facilmente riconoscibili attività elementari quali il trasporto di materiale grezzo eia energia tra varieparti dell'impianto, generazione dicaloreetrasferimento afluidi esolidi, trasferimento dicaloretra fluidi, reazionichimiche,separazionedi componentidi una miscela,immagazzinamento di materiali inserbatoi elosilos,e altre ancora, Per il controllo automatico di un processo sono quindi necessari dispositivi di misura tsensorische ne rilevino con continuitàle condizioni di funzionamento (stato), unità di elaborazione (di controllo) che calcolino con continuità le azio ni di controllo, dispositivi di attuazione (attuatori) di tali azioni. Sono neces sari, inoltre, un sistema di comunicazione tra l'unità di controllo e i dispositivi di misura ed attuazione e mezzi per l'interazione con l'operatore del processo tinterfaccia uomo-macchina). All'operatore occorre dare informazioni complete sullo stato del processo e la possibilità d'intervenire per modificarne lo svolgi mento, In Figura I,l è rappresentato un semplice esempio di sistemadi controllo 2 Capitolo 1 Controllorediarea (PLC) Interlaccia uomo-macchina Interfacciafieldbus eunitàdicontrollo .&_'00' Sensoredi Sensoredi pressione Valvola Figura 1.1Sistemadi controlloe misura con reti di comunicazione digitali. e misura, consistente in due sensori di pressione, una valvola di regolazionee di spositivi di controllo e interfaccia uomo macchina collegati mediante una rete di comunicazione digitale. Le valvole di regolazione sono gli attuatori utilizzati per modulare portate di fluidi, e con essi trasferimenti di energia (potenze). Poiché le valvole agisco no modulando una perdita di carico idrostatico (Capitolo 2), per comprenderne completamenterazione è necessarioconsiderare con esseicircuitiin cui ilfluido scorre e le pompe, che forniscono al fluido il carico idrostatico necessario per il movimento. Valvoledi regolazioneepompe sono trattatenel Capitolo5, che èin centrato sul dimensionamento delle valvole ela sceltadellarelativacaratteristica, lineare piuttosto che equiperccntuale, e riporta i modelli di funzionamento delle pompe centrifughe e volumetriche. Per affrontare lo studio di questo capitolo è necessario conoscere i principi di conservazione della massa e dell'energia. es senziali per la modellizzazione ecomprensione del comportamento dinamico dei processi, eglialtri concettidi fluidodinamicarichiamati nelCapitolo 2. Non sono stati trattati iriscaldatorielettricicon irelativi dispositivielettronicidi pilotaggio, utilizzati nei forni, nei reattori chimici e in molti elettrodomestici, per i quali si rimanda a testi di elettronica di potenza. Il Capitolo 3 è dedicato ai sensori, Si trattano prima i sensori di misura di temperatura, portata.pressioneelivello, che sono le grandezzepiù frequentemen te utilizzate nei processi industriali, quindi quelli di posizione angolare o lineare, impiegati nel controllo del moto. Per le misure di composizione. concentrazione, PH,conduttività, frequentementeutilizzatenei processichimici, eper tutte lealtre sirimanda a testi specializzati.