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Un anello di controllo è l’elemento fondamentale dei sistemi di controllo industriali. Consiste di tutti i componenti fisici e le funzioni di controllo necessarie per regolare automaticamente il valore di una variabile di processo misurata (PV) per eguagliare il valore di un set-point desiderato (SP). Include il sensore di processo, la funzione di controllo e l’elemento finale di controllo (FCE) che sono tutti necessari per il controllo automatico.
Il diagramma allegato mostra un loop di controllo con un singolo ingresso PV, una funzione di controllo e l’uscita di controllo (CO) che modula l’azione dell’elemento di controllo finale (FCE) per modificare il valore della variabile manipolata (MV). In questo esempio, è mostrato un anello di controllo del flusso, ma può essere il livello, la temperatura, o uno qualsiasi dei molti parametri di processo che devono essere controllati. La funzione di controllo mostrata è di “tipo intermedio” come un regolatore PID, il che significa che può generare una gamma completa di segnali di uscita ovunque tra 0-100%, piuttosto che un semplice segnale on/off.
In questo esempio il valore del PV è sempre lo stesso del MV, poiché sono in serie nella tubazione. Tuttavia, se l’alimentazione dalla valvola fosse verso un serbatoio, e la funzione del controller fosse quella di controllare il livello usando la valvola di riempimento, il PV sarebbe il livello del serbatoio, e il MV sarebbe il flusso al serbatoio.
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Una variabile di processo, valore di processo o parametro di processo è il valore attuale misurato di una particolare parte di un processo che viene monitorato o controllato. Un esempio potrebbe essere la temperatura di un forno. La temperatura attuale è chiamata variabile di processo, mentre la temperatura desiderata è conosciuta come set-point. Il set-point è solitamente abbreviato in SP, e il valore di processo è solitamente abbreviato in PV.
Quattro variabili comunemente misurate che influenzano i processi chimici e fisici sono: pressione, temperatura, livello e flusso.[citazione necessaria] ma ci sono in realtà un gran numero di quantità di misura che per scopi internazionali utilizzano il Sistema Internazionale di Unità (SI)
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Come suggerisce il nome, un regolatore di temperatura – spesso chiamato regolatore PID è uno strumento utilizzato per controllare la temperatura. Il regolatore di temperatura prende un ingresso da un sensore di temperatura e ha un’uscita che è collegata a un elemento di controllo come un riscaldatore o un ventilatore.
I controlli proporzionali sono progettati per eliminare i cicli associati al controllo on-off. Un regolatore proporzionale diminuisce la potenza media fornita al riscaldatore quando la temperatura si avvicina al setpoint. Questo ha l’effetto di rallentare il riscaldatore in modo che non superi il punto stabilito, ma si avvicini al punto stabilito e mantenga una temperatura stabile. Questa azione di proporzionamento può essere realizzata accendendo e spegnendo l’uscita per brevi intervalli di tempo. Questo “dosaggio del tempo” varia il rapporto tra il tempo “on” e il tempo “off” per controllare la temperatura. L’azione proporzionale avviene all’interno di una “banda proporzionale” intorno alla temperatura di riferimento. Al di fuori di questa banda, il regolatore funziona come un’unità on-off, con l’uscita completamente accesa (sotto la banda) o completamente spenta (sopra la banda). Tuttavia, all’interno della banda, l’uscita si accende e si spegne nel rapporto della differenza di misurazione dal setpoint. Al setpoint (il punto medio della banda proporzionale), il rapporto on:off dell’uscita è 1:1; cioè, il tempo di accensione e il tempo di spegnimento sono uguali. Se la temperatura è inferiore al setpoint, l’uscita sarà accesa più a lungo; se la temperatura è troppo alta, l’uscita sarà spenta più a lungo.
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Il regolatore PID guarda il setpoint e lo confronta con il valore reale della variabile di processo (PV). A casa nostra, la scatola di elettronica che è il regolatore PID nel nostro sistema di riscaldamento e raffreddamento guarda il valore del sensore di temperatura nella stanza e vede quanto è vicino a 22°C.
Tuttavia, se c’è una disparità tra l’SP e il PV abbiamo un errore ed è necessaria un’azione correttiva. Nella nostra casa questo sarà raffreddamento o riscaldamento a seconda che il PV sia rispettivamente più alto o più basso del SP.
Il sensore rileva la temperatura più bassa, la riporta al controllore, il controllore vede che l'”errore di temperatura” non è così grande perché il PV (temperatura) è sceso e l’aria condizionata viene abbassata un po’.
Sfortunatamente, nel mondo reale abbiamo bisogno di un controller un po’ più complicato di quello descritto sopra, se vogliamo il massimo rendimento dai nostri loop. Per capire perché, faremo alcuni “esperimenti di pensiero” in cui il controllore siamo noi.
