Principi di base.

Con poche e relativamente poco importanti eccezioni, tutti i moderni sistemi di controllo hanno due caratteristiche fondamentali in comune. Queste possono essere descritte come segue: (1) Il valore della grandezza controllata è variato da un motore (questa parola è usata in senso generico), che trae la sua potenza da una fonte locale piuttosto che da un segnale in entrata. Così è disponibile una grande quantità di potenza per effettuare le variazioni necessarie della quantità controllata e per garantire che le operazioni di variazione della quantità controllata non carichino e distorcano i segnali da cui dipende la precisione del controllo. (2) La velocità con cui l’energia viene alimentata al motore per effettuare le variazioni del valore della quantità controllata è determinata più o meno direttamente da qualche funzione della differenza tra i valori reali e desiderati della quantità controllata. Così, per esempio, nel caso di un sistema di riscaldamento termostatico, la fornitura di combustibile al forno è determinata dal fatto che la temperatura effettiva sia superiore o inferiore a quella desiderata. Un sistema di controllo che possiede queste caratteristiche fondamentali è chiamato un sistema di controllo ad anello chiuso, o un servomeccanismo (vedi figura). I sistemi di controllo ad anello aperto sono sistemi feedforward.

La stabilità di un sistema di controllo è determinata in larga misura dalla sua risposta ad un segnale applicato improvvisamente, o transiente. Se un tale segnale provoca la sovracorrezione del sistema, può verificarsi un fenomeno chiamato hunting, in cui il sistema prima si sovracorregge in una direzione e poi si sovracorregge nella direzione opposta. Poiché la caccia è indesiderabile, di solito vengono prese misure per correggerla. La misura correttiva più comune è l’aggiunta di smorzamento da qualche parte nel sistema. Lo smorzamento rallenta la risposta del sistema ed evita eccessivi overshoots o sovracorrezioni. Lo smorzamento può essere sotto forma di resistenza elettrica in un circuito elettronico, l’applicazione di un freno in un circuito meccanico, o forzare l’olio attraverso un piccolo orifizio come nello smorzamento degli ammortizzatori.

Un altro metodo per accertare la stabilità di un sistema di controllo è quello di determinare la sua risposta in frequenza, cioè la sua risposta a un segnale di ingresso che varia continuamente a varie frequenze. L’uscita del sistema di controllo viene quindi confrontata con l’ingresso per quanto riguarda l’ampiezza e la fase, cioè il grado con cui i segnali di ingresso e di uscita sono fuori fase. La risposta in frequenza può essere determinata sperimentalmente – soprattutto nei sistemi elettrici – o calcolata matematicamente se le costanti del sistema sono note. I calcoli matematici sono particolarmente utili per i sistemi che possono essere descritti da equazioni differenziali lineari ordinarie. Anche le scorciatoie grafiche aiutano molto nello studio delle risposte del sistema.

Diverse altre tecniche entrano nella progettazione di sistemi di controllo avanzati. Il controllo adattivo è la capacità del sistema di modificare il proprio funzionamento per ottenere la migliore modalità di funzionamento possibile. Una definizione generale di controllo adattivo implica che un sistema adattivo deve essere in grado di eseguire le seguenti funzioni: fornire informazioni continue sullo stato attuale del sistema o identificare il processo; confrontare le prestazioni attuali del sistema con quelle desiderate o ottimali e prendere una decisione per modificare il sistema per raggiungere le prestazioni ottimali definite; e avviare una modifica adeguata per portare il sistema di controllo all’optimum. Questi tre principi – identificazione, decisione e modifica – sono inerenti a qualsiasi sistema adattivo.

Il controllo dinamico-ottimizzante richiede che il sistema di controllo funzioni in modo tale da soddisfare un criterio di prestazione specifico. Questo criterio è solitamente formulato in termini tali che il sistema controllato deve spostarsi dalla posizione originale a una nuova posizione nel minimo tempo possibile o al minimo costo totale.

Il controllo di apprendimento implica che il sistema di controllo contiene una capacità di calcolo sufficiente in modo da poter sviluppare rappresentazioni del modello matematico del sistema controllato e può modificare il proprio funzionamento per trarre vantaggio da questa nuova conoscenza sviluppata. Così, il sistema di controllo di apprendimento è un ulteriore sviluppo del controllore adattivo.

Il controllo multivariabile-non interattivo coinvolge grandi sistemi in cui la dimensione delle variabili interne dipende dai valori di altre variabili correlate del processo. Quindi le tecniche ad anello singolo della teoria di controllo classica non saranno sufficienti. Si devono usare tecniche più sofisticate per sviluppare sistemi di controllo appropriati per tali processi.