Diana-Fossati-Resta: Elementi di controllo di sistemi meccanici

Dal corso di modellistica e simulazione dei sistemi meccanici tenuto al politecnico di Milano

• Edizioni: Spiegel
• Anno di pubblicazione: 1998
• Euro: 10,50
• pp.: 99
• ISBN: 8876600981

L'evoluzione della meccanica porta alla configurazione di scenari in cui necessariamente risultano di estrema importanza sinergie con campi tipici dell'elettronica e del controllo. Un'autovettura moderna, che rappresenta un esempio vicino a tutti noi, è equipaggiata da sistemi quali l'antipattinante (ABS) e le sospensioni attive che sono sistemi atti a generare sul veicolo azioni rivolte a migliorarne le caratteristiche di guidabilità. Per il noto treno italiano "Pendolino" è stato risolto, infatti, con attuatori attivi il problema del pendolamento della cassa per migliorare il comfort del passeggero. infine si ricordi che tutti gli azionamenti elettrici, idraulici e pneumatici presentano anelli di retroazione che ne migliorano le prestazioni. Attualmente non si possono dimenticare, nell'analisi del comportamento dinamico di un sistema meccanico, le azioni generate dai sistemi di controllo.

Nasce pertanto l'esigenza di interfacciare la modellistica dei sistemi meccanici, sia dotati di moto in grande che sistemi oscillanti intorno ad una posizione di equilibrio o di regime, con i sistemi di controllo che ne regolano il comportamento.

Da questa esigenza è noto il presente testo, che si pone lo scopo di riunire le nozioni di regolazione, controllo e automatica, che proveniendo da aree diverse da quelle tipicamente meccaniche, si presentano spesso di difficile lettura.

Il testo prende in considerazione sia le nozioni tipicamente legate al controllore, alla sua analisi e sintesi, sia la caratterizzazione dei sistemi di attuazione delle azioni di controllo. In particolare, quali esempi, propone lo studio del comportamento dinamico di un azionamento elettrico (motore in c.c.) e di un attuatore idraulico.

Un capitolo introduttivo, dopo aver presentato gli aspetti fondamentali di un sistema di controllo in anello aperto e chiuso, richiama le nozioni di funzione di trasferimento armonica di un sistema, di trasformata di Laplace, di rappresentazioni di Bode e Nyquist della risposta in frequenza e in generale di analisi di stabilità dei sistemi controllati.

Una seconda sezione è dedicata alla sintesi di controllo. Come nella precedente, gli Autori dedicano ampio spazio ad esempi applicativi che permettono una più pratica interpretazione meccanica delle nozioni di area controllistica.

Aspetti quali la stabilità relativa e metodi quali il luogo delle radici e il criterio di Nyquist vengono presentati con il preciso scopo di renderli necessari alla modellistica e all' analisi dei sistemi meccanici. Vengono quindi esposte le principali specifiche di progetto richieste ad un sistema di controllo in retroazione e le soluzioni per soddisfarle.

La terza sezione, a causa dell'importanza che rivestono in campo industriale, è dedicata ai controllori PID di cui sono forniti esempi applicativi svolti anche numericamente.

Tali controlli presentano una limitazione legata al numero di ingressi e usacite; si prestano bene, infatti, a sistemi ad un ingresso ed una uscita (SISO Single Input - Single Output). Per tale motivo l'ultimo capitolo è dedicato a presentare l'approccio moderno di sintesi di controllo con particolare riferimento a sistemi a più ingressi e più uscite (MIMO - Multi Input Multi Output) e al controllo ottimo.

Infatti il controllo classico usa criteri di giudizio del comportamento di un sistema come il tempo di arrivo, la massima sovraelongazione, l'errore a regime e così via, che si applicano bene a sistemi che lavorano prevalentemente a regime.

Più recentemente l'interesse si è spostato su altri obiettivi e l'approccio al problema è diventato quello di minimizzare o massimizzare un certo funzionale o "indice di performace". Questo approccio è noto come "controllo ottimale" e viene spesso indicato come "controllo moderno". In tal caso si fa riferimento a modelli basati sulle variabili di stato, e possono essere trattati anche sistemi MIMO (Multi Input - Multi Output), eventualmente non lineari.

Nell'ultima sezione viene infine esposto il filtro di Kalman come osservatore di stato per i sempre più frequenti impieghi di tale strumento.