Innanzi tutto incominciamo col fornire alcune definizioni che saranno utili in seguito.
Processo
Insieme di operazioni eseguite su un sistema allo scopo di modificare alcune sue proprietà (fisiche, energetiche, etc...).
Ogni processo può essere descritto da alcune grandezze fisiche che possono cambiare il loro valore e quindi diventano le sue variabili.
Variabili
Esse si distinguono in:
1) distrurbi: indipendenti dalla volontà di chi gestisce il processo
2) variabili controllate: che variano a causa dei disturbi
3) variabili manipolate: che possono essere variate per riportare quelle controllate al valore antecedente il disturbo.
Controllare automaticamente un processo significa mantenere la variabile controllata al suo valore di setpoint anche in presenza di un disturbo permanente.
Un modo molto semplice e poco costoso per fare il controllo di una variabile è quello della regolazione ON-OFF.
In questo caso il controllore interviene quando il valore della grandezza è al di sotto di un certo valore rispetto al setpoint e si ferma quandoè stato raggiunto un determinato valore al di sopra del medesimo setpoint.
Questi due valori rappresentano il differenziale, cioè la differenza tra max e min entro il quale la grandezza controllata può variare.
Nel mezzo del differenziale si colloca il valore di setpoint.
Se questo differenziale è esiguo, si assisterà ad un continuo attacca e stacca del controllore caratterizzato da piccoli scarti rispetto al valore desiderato.
Al contrario, se è alto, si avrà una bassa frequenza di interventi ma lo scarto rispetto al setpoint sarà più alto.
Un controllo di questo tipo non farà mai raggiungere alla grandezza controllata il setpoint ma farà in modo che essa oscilli con ampiezza e periodo, dipendenti dal differenziale, intorno ad esso.
L'esempio che propongo è quello di un serbatoio idrico, di forma cilindrica, di determinate dimensioni dentro il quale il livello dell'acqua non deve superare determinati limiti, superiore ed inferiore, quando si presenta un disturbo permanente.
Le dimensioni del serbatoio sono: Sb = 20 m² (circa 5m di diametro) ed altezza h = 20m, portata di ingresso Qi = 160 litri/s e la variazione di Su rispetto al valore iniziale è di -20% di quella impostata.
Per questa simulazione ho utilizzato una scheda Arduino ed alcuni componenti ad essa collegati:
1) display LCD 2004 con interfaccia I2C per mostrare come variano la Qi, la Qu e l'altezza h;
2) tre pulsanti, uno giallo, uno verde ed uno rosso, che servono rispettivamente per avviare il processo, per introdurre il disturbo e per simulare la regolazione;
3) tre led, di colore corrispondente ai pulsanti, che segnalano l'avvio del processo e l'oscillazione della regolazione intorno al setpoint;
4) un buzzer che emette un segnale acustico ogni volta che vengono superati o raggiunti i limiti del differenziale.
Trattandosi di una regolazione ON/OFF, la portata Qi sarà mantenuta costante e verrà tolta o immessa a seconda se il livello dell'acqua ha superato o il limite superiore o inferiore.
Collegamenti:
a) display LCD
Due terminali all'alimentazione (+5V e GND) e gli altri due ai pin analogici A4(SDA) e A5(SCL);
b) pulsanti
Collegati all'alimentazione con un piedino a +5V e con l'altro, tramite una resistenza di 10 Kohm, al GND. A monte di essa si deriva un collegamento al pin digitale D8 (GIALLO), D9(VERDE) e D10(ROSSO);
c) LED
Un terminale è collegato al GND tramite una resistenza di 220 ohm mentre l'altro (quello lungo) ai pin digitali D2(ROSSO), D3(VERDE) e D4(GIALLO);
d) buzzer
Connesso con un terminale al GND e con l'altro al pin digitale D7.
Il processo sarà osservato aprendo il plotter seriale di Arduino che traccerà il grafico relativo all'altezza dell'acqua a partire dal riempimento del serbatoio fino alla regolazione.
Il codice relativo al progetto è disponibile al seguente link: Serb_ON_OFF.
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