Sentiamo sempre parlare di “controllo ad anello chiuso”, soprattutto nell'ambito dell'automazione, del controllo del movimento e dei servosistemi. Ma cosa significa in realtà? E soprattutto... perché gli ingegneri si preoccupano tanto di sapere se un sistema è ad anello aperto o ad anello chiuso?
Il controllo ad anello chiuso è un'idea semplice: misurare ciò che è accaduto, confrontarlo con ciò che si desiderava e correggere automaticamente l'ingresso per mantenere il setpoint desiderato.
Questa fase di feedback è ciò che trasforma un processo “imposta e spera” in qualcosa in grado di mantenere l'obiettivo anche quando la vita reale si mette di mezzo (carichi variabili, deriva della temperatura, attrito, usura, calo di tensione o variazioni del flusso d'aria).
Se avete mai visto un termostato “cacciare” intorno a una temperatura o un asse di un servo atterrare con precisione su una coordinata comandata, avete visto il controllo ad anello chiuso fare ciò che sa fare meglio: correggere la realtà finché non corrisponde all'obiettivo.
In questo articolo, spiegheremo il controllo ad anello chiuso in termini semplici: cos'è, come funziona e come si confronta con il controllo ad anello aperto. Poi ci soffermeremo sugli aspetti pratici: le caratteristiche delle prestazioni, la messa a punto e il modo in cui la retroazione ad anello chiuso viene effettivamente implementata nei sistemi industriali come i servoazionamenti.
Che cos'è un sistema di controllo ad anello chiuso?
Un sistema di controllo ad anello chiuso è un sistema di controllo la cui azione dipende dall'uscita misurata attraverso un percorso di retroazione. Ciò consente al sistema di regolare automaticamente una variabile di processo in modo che corrisponda a un ingresso di riferimento (setpoint).
In un circuito chiuso, un sensore o un trasduttore misura l'uscita (o una sua funzione). Questa misura viene restituita come segnale di retroazione e il controllore calcola un valore di segnale di errore dalla differenza tra il setpoint e l'uscita effettiva.
Il controllore aziona quindi l'attuatore per influenzare l'impianto/processo e ridurre l'errore. Poiché l'anello si corregge continuamente, il controllo ad anello chiuso è anche detto controllo in retroazione, ed è la scelta predefinita quando l'accuratezza, la ripetibilità e la reiezione dei disturbi sono più importanti della semplicità.
Perché i sistemi ad anello chiuso sono importanti?
I sistemi ad anello chiuso sono importanti perché la retroazione consente a un controllore di correggere i disturbi e la deriva in tempo reale, mantenendo le prestazioni stabili anche quando l'ambiente non lo è.
I carichi cambiano. Le temperature variano. L'attrito aumenta. La tensione di alimentazione cala. Un anello chiuso ben progettato rileva queste deviazioni e le compensa, rendendo l'uscita ripetibile e meno sensibile alle condizioni esterne.
Questa affidabilità è il motivo per cui il controllo ad anello chiuso è presente ovunque nell'automazione moderna. I controllori digitali - siano essi microcontrollori, PLC o i processori all'interno di un servoazionamento ADVANCED Motion Controls - sono in grado di leggere più sensori e coordinare le uscite più velocemente di qualsiasi operatore umano.
Controllo ad anello chiuso vs. controllo ad anello aperto
Il controllo ad anello chiuso utilizza il feedback dell'uscita per regolare l'azione di controllo. Il controllo ad anello aperto non lo fa. Questa frase rappresenta l'intera differenza, ma spiega molte cose.
Un sistema ad anello aperto segue un programma di comandi indipendentemente dal fatto che l'uscita corrisponda o meno all'obiettivo. Ad esempio, un riscaldatore di base potrebbe funzionare per “10 minuti ogni ora”. Potrebbe funzionare in una giornata mite, ma non si adatterà quando la stanza è più fredda o una finestra è lasciata aperta. Un sistema ad anello chiuso misura la temperatura effettiva e fa funzionare il riscaldatore solo fino al raggiungimento del setpoint.
Il rischio industriale del ciclo aperto
Passando dai termostati ai macchinari, la differenza diventa critica. Nel controllo del movimento ad anello aperto, il controllore assume il movimento comandato è avvenuto. Se un asse si blocca, scivola, si blocca o perde dei passi, il programma continua ad andare avanti lo stesso perché non c'è un feedback che dica “non ci siamo arrivati”.”
È qui che il guasto ad anello aperto diventa un problema di sicurezza. Il movimento successivo dell'utensile potrebbe basarsi su una posizione che esiste solo nel software. Questa discrepanza può portare a rotture di utensili, sgorbi, rotture di attrezzature e collisioni meccaniche.
Il controllo ad anello chiuso aggiunge sensori e sforzi di messa a punto, ma è il percorso standard per ottenere precisione e robustezza. Se il carico cambia o un asse è in ritardo, il segnale di retroazione mostra la deviazione e il controllore la corregge o attiva un guasto prima che si verifichi un danno.
Come funziona un sistema di controllo ad anello chiuso?
Un sistema ad anello chiuso funziona misurando l'uscita, confrontandola con un valore di riferimento e impostando un'azione correttiva in base all'errore risultante.
Il “punto di riflessione” chiave del ciclo è l'elemento di confronto, spesso chiamato elemento giunzione sommatoria-dove il setpoint e la misura di retroazione sono combinati algebricamente.
La relazione canonica è:
$$Error = Setpoint - Actual$$
- Se l'uscita scende al di sotto del setpoint, l'errore diventa positivo e il controllore aumenta l'ingresso.
- Se l'uscita sale al di sopra del setpoint, l'errore cambia di segno e il controllore fa marcia indietro.
Il vantaggio è la correzione dei disturbi. Se un disturbo allontana l'uscita dall'obiettivo, come ad esempio un improvviso aumento del carico su un motore, il sensore rileva immediatamente la deviazione e il controllore compensa finché l'uscita non rientra nei limiti.
Come si chiude l'anello di retroazione in un servoazionamento?
Nel contesto del controllo del movimento, il servoazionamento è il pacchetto “cervello + muscoli”. Legge il feedback, calcola l'errore e spinge la coppia finché l'errore non si riduce a zero.
Noi di ADVANCED Motion Controls progettiamo i nostri convertitori di frequenza utilizzando un sistema di Ciclo annidato architettura. La maggior parte dei servosistemi non esegue un solo loop, ma ne coordina tre, ognuno dei quali si concentra su una variabile e una scala temporale diverse:
- Loop corrente (coppia) (più interno, più veloce): Questo anello controlla la corrente del motore per produrre la coppia comandata. Deve essere estremamente veloce per gestire la dinamica elettrica degli avvolgimenti del motore.
- Loop di velocità (centrale): Questo anello controlla la velocità. Utilizza una stima della velocità (spesso derivata dal feedback dell'encoder) per comandare la coppia. Se il carico aumenta e la velocità diminuisce, questo anello comanda una maggiore corrente per compensare.
- Loop di posizione (più esterno): Questo loop confronta la posizione comandata con quella misurata. Genera comandi di velocità per eliminare l“”errore di inseguimento".”
Come fa il servoazionamento a “spingere di più” quando cambia il carico? Regolando la tensione e la corrente medie del motore erogate dallo stadio di potenza, di solito attraverso la commutazione PWM (Pulse Width Modulation).
Se l'asse rallenta sotto carico, il feedback mostra il calo di velocità, l'errore aumenta e l'azionamento risponde comandando più corrente (più coppia) fino a ripristinare la velocità target. Questa robustezza è il principale vantaggio del servocontrollo rispetto ai sistemi stepper o ad anello aperto.
Che cos'è il controllo a doppio anello?
I servosistemi standard utilizzano un unico dispositivo di retroazione (solitamente sul motore) per tutti e tre gli anelli. Tuttavia, nelle applicazioni ad alta precisione, Controllo a doppio loop offre un vantaggio significativo.
Il controllo a doppio loop utilizza due punti di misura per controllare un asse:
- A Encoder motore per l'anello di velocità (stabilità).
- A Bilancia lineare montata sul carico per l'anello di posizione (precisione).
Perché dividerlo?
Perché il motore e il carico non sono sempre la stessa cosa. Le cinghie si allungano, i giunti si attorcigliano e gli ingranaggi hanno un gioco. Un encoder del motore può segnalare una rotazione perfetta mentre il carico è in ritardo a causa della conformità meccanica.
Con il controllo a doppio anello, l'anello di velocità interno rimane stretto e regolare grazie alla retroazione del motore, mentre l'anello di posizione esterno si chiude sulla scala lineare. In questo modo il controllore continua a guidare fino a quando il carico effettivo raggiunge il bersaglio, non solo l'albero motore.
Messa a punto di un sistema ad anello chiuso
La regolazione è il processo di selezione dei parametri del controllore (come i guadagni P, I e D) in modo che l'anello raggiunga gli obiettivi di prestazione senza diventare instabile.
- Definire gli obiettivi: Specificare le tolleranze per l'errore allo stato stazionario, la sovraelongazione e il tempo di assestamento.
- Identificare la pianta: Capire cosa si sta controllando (inerzia, attrito, risonanza).
- Impostare i guadagni iniziali: Iniziare in modo conservativo. Guadagni elevati riducono l'errore ma aumentano il rischio di oscillazione.
- Convalidare: Eseguire il test con i carichi e i disturbi del caso peggiore. Un loop stabile in aria potrebbe oscillare se accoppiato a un carico pesante.
Il rischio ingegneristico più grande nel controllo ad anello chiuso è instabilità. Un guadagno troppo alto o un ritardo eccessivo (latenza) possono causare l'autooscillazione del sistema. Una corretta regolazione consente di trovare la zona “Goldilocks”, sufficientemente rigida per respingere i disturbi, ma sufficientemente smorzata per rimanere stabile.
Conclusione
Il controllo ad anello chiuso è fondamentalmente semplice: misurare l'uscita, calcolare l'errore e correggere l'ingresso. Eppure, questa singola idea rende possibile l'automazione di precisione su cui facciamo affidamento oggi, dai sistemi termici alla robotica multiasse.
Sebbene comporti una maggiore complessità dei sensori e della messa a punto, i vantaggi in termini di precisione, ripetibilità e rifiuto dei disturbi la rendono indispensabile. Che si tratti della messa a punto di un anello PID o della messa in servizio di un servosistema multiasse, il principio rimane lo stesso: fidarsi della retroazione, ma rispettare la fisica.
