Capitolo 1 : Ingegneria di controllo
Utilizzando la teoria del controllo per creare macchinari e sistemi con i comportamenti desiderati nelle impostazioni di controllo, l'ingegneria è una branca dell'ingegneria che si occupa dei sistemi di controllo.
Nel processo di controllo di un processo, vengono utilizzati sensori e rilevatori per monitorare le prestazioni dell'uscita. Queste misurazioni vengono quindi utilizzate per fornire un feedback correttivo, che aiuta a raggiungere le prestazioni previste. I sistemi di controllo automatico sono creati per funzionare senza richiedere l'intervento umano (come il cruise control per regolare la velocità di un'auto). Le operazioni di ingegneria dei sistemi di controllo sono di natura multidisciplinare e si concentrano sull'implementazione di sistemi di controllo generati principalmente dalla modellazione matematica di un'ampia varietà di sistemi.
Lo sviluppo della tecnologia nel corso del XX secolo ha portato a un notevole aumento dell'interesse nel campo della moderna ingegneria di controllo, che è una disciplina accademica relativamente recente. Può essere ampiamente classificato come un uso reale della teoria del controllo. Dalle lavatrici di base per la casa ai jet da combattimento ad alte prestazioni, l'ingegneria di controllo è fondamentale per molti sistemi di controllo diversi. Mira a comprendere i sistemi fisici in termini di input, output e numerosi componenti con comportamenti diversi attraverso la modellazione matematica; costruire controllori per tali sistemi utilizzando strumenti di progettazione di sistemi di controllo; e applicare i controllori nei sistemi fisici che utilizzano la tecnologia disponibile. A seconda della natura della sfida di progettazione, la teoria del controllo può essere applicata in uno o più domini del tempo, della frequenza e del complesso per la modellazione matematica, l'analisi e la progettazione del controllore di un sistema che può essere meccanico, elettrico, fluido, chimico, finanziario o biologico.
Il campo dell'ingegneria noto come ingegneria del controllo si concentra sulla modellazione di un'ampia gamma di sistemi dinamici (come i sistemi meccanici) e sulla progettazione di controller per far sì che questi sistemi si comportino come previsto dal progettista. L'ingegneria di controllo è talvolta vista come un argomento dell'ingegneria elettrica, anche se tali controller non devono necessariamente essere elettrici.
I sistemi di controllo possono essere implementati utilizzando, tra gli altri dispositivi, circuiti elettrici, processori di segnali digitali e microcontrollori. Ci sono diversi usi per l'ingegneria di controllo, dai sistemi di propulsione e di volo degli aerei commerciali al cruise control che si trova in molte auto moderne.
Gli ingegneri di controllo utilizzano spesso il feedback durante la creazione dei sistemi di controllo. A tale scopo, viene spesso utilizzato un sistema di controllo PID. Ad esempio, un veicolo con cruise control monitora continuamente la velocità del veicolo e invia tali informazioni al sistema, che quindi modifica la coppia del motore secondo necessità. La teoria del controllo può essere utilizzata per determinare come il sistema reagisce al feedback quando si verifica frequentemente. La stabilità è fondamentale praticamente in tutti questi sistemi e la teoria del controllo può aiutare a garantire il raggiungimento della stabilità.
Gli ingegneri di controllo possono anche concentrarsi sul controllo di sistemi senza input, nonostante il fatto che il feedback sia una componente chiave della disciplina. Il controllo ad anello aperto è il termine per questo. Una lavatrice che segue un ciclo predeterminato senza l'utilizzo di sensori è un ottimo esempio di controllo a circuito aperto.
Più di duemila anni fa furono creati i primi meccanismi di controllo automatico. Intorno al III secolo a.C., l'antico orologio ad acqua di Ktesibios ad Alessandria d'Egitto, si dice sia stato il primo sistema di controllo a feedback mai scoperto. Controllando il livello dell'acqua di una nave e successivamente il suo flusso d'acqua, teneva il tempo. Il fatto che orologi ad acqua con un design comparabile fossero ancora prodotti a Baghdad nel 1258 d.C. indica che questa invenzione era indiscutibilmente efficace. Molti gadget automatici sono stati impiegati nel corso della storia per svolgere compiti necessari o semplicemente per divertire le persone. Questi automi, che erano comuni in Europa nel XVII e XVIII secolo e presentavano figure danzanti che eseguivano ripetutamente lo stesso compito, sono esempi di controllo a circuito aperto. Il regolatore di temperatura di una fornace attribuito a Drebbel, intorno al 1620, e il regolatore centrifugo a palla volante utilizzato da James Watt nel 1788 per regolare la velocità dei motori a vapore sono pietre miliari tra i dispositivi di controllo automatico a retroazione, ovvero "a circuito chiuso".
James Clerk Maxwell utilizzò le equazioni differenziali per descrivere il sistema di controllo al fine di spiegare le instabilità mostrate dal regolatore flyball nel suo articolo del 1868 "On Governors". Questo ha segnato l'inizio del controllo matematico e della teoria dei sistemi e ha illustrato il significato e il valore dei modelli e degli approcci matematici nella comprensione di eventi complicati. Anche se in precedenza, gli elementi della teoria del controllo non erano stati presentati nell'analisi di Maxwell con la stessa forza e convinzione.
Nel corso del secolo successivo, la teoria del controllo si sviluppò in modo significativo. Sistemi dinamici più complessi di quelli che il regolatore flyball originale poteva stabilizzare possono ora essere controllati grazie a nuovi metodi matematici e miglioramenti nella tecnologia elettronica e informatica. Negli anni '50 e '60 sono stati fatti progressi nel controllo ottimale e negli anni '70 e '80 sono stati fatti progressi negli approcci di controllo stocastico, resiliente, adattivo e non lineare. Le applicazioni dei metodi di controllo hanno reso possibile lo sviluppo di aeroplani più sicuri ed efficaci, satelliti di comunicazione, motori di automobili più puliti e processi chimici più puliti ed efficienti.
La teoria del controllo è stata studiata come parte dell'ingegneria elettrica perché è spesso possibile spiegare facilmente i circuiti elettrici utilizzando approcci di teoria del controllo prima che l'ingegneria del controllo diventasse un argomento distinto. Le prime relazioni di controllo utilizzavano un ingresso di controllo della tensione per rappresentare un'uscita di corrente. I progettisti sono stati costretti a utilizzare sistemi meccanici meno efficaci e a risposta lenta poiché non c'era una tecnologia sufficiente per integrare i sistemi di controllo elettrico. Il regolatore è un controller meccanico altamente efficiente che viene ancora utilizzato frequentemente in alcuni progetti idroelettrici. Successivamente, prima dell'elettronica di potenza contemporanea, gli ingegneri meccanici svilupparono sistemi di controllo dei processi per scopi industriali che impiegavano dispositivi di controllo pneumatici e idraulici, molti dei quali sono ancora in uso oggi.
Un sistema di controllo utilizza i loop di controllo per gestire, comandare, dirigere o governare il comportamento di altre apparecchiature o sistemi. Può variare da una singola caldaia controllata da termostato in una casa unifamiliare a enormi sistemi di controllo industriale utilizzati per gestire intere linee di produzione. L'ingegneria di controllo viene utilizzata per creare i sistemi di controllo.
Un controller di retroazione viene utilizzato per controllare automaticamente un processo o un'operazione per un controllo costantemente modulato. Il sistema di controllo confronta il valore o il setpoint (SP) desiderato con il valore o lo stato della variabile di processo (PV) controllata e utilizza la differenza come segnale di controllo per portare l'uscita della variabile di processo dell'impianto al setpoint.
La logica software, come quella che si trova in un controllore logico programmabile, viene utilizzata per la logica sequenziale e combinatoria.
Il controllo di sistemi dinamici in processi e macchinari ingegnerizzati è nell'ambito dell'ingegneria del controllo e della matematica applicata. L'obiettivo è creare un modello o un algoritmo che controlli il modo in cui gli input del sistema vengono applicati per spostare il sistema verso uno stato desiderato, riducendo al minimo qualsiasi ritardo, overshoot o errore di stato stazionario e garantendo un livello di stabilità del controllo; Questo viene spesso fatto con l'intenzione di raggiungere un certo livello di ottimalità.
A tal fine è necessario un controller con il comportamento correttivo necessario. La variabile di processo regolata (PV) viene monitorata da questo controllore e il suo valore viene confrontato con un riferimento o un set point (SP). Il segnale di errore, noto anche come errore SP-PV, viene applicato come feedback per generare un'azione di controllo per portare la variabile di processo controllata allo stesso valore del set point. È la differenza tra i valori effettivi e desiderati della variabile di processo. Lo studio della controllabilità e dell'osservabilità è un'altra componente. L'automazione progettata con l'aiuto della teoria del controllo ha trasformato l'industria, l'aviazione, le comunicazioni e altri settori e ha dato origine a nuovi settori come la robotica.
Il diagramma a blocchi, un tipo di diagramma, è spesso ampiamente utilizzato. Utilizza le equazioni differenziali che caratterizzano il sistema per creare un modello matematico della relazione tra l'input e l'output noto come funzione di trasferimento, nota anche come funzione di sistema o funzione di rete.
James Clerk...
