Un PID controller è un dispositivo progettato per regolare valori predefiniti su una vasta gamma di macchinari. In questo articolo esploreremo il funzionamento di un PID controller, i suoi componenti principali e le applicazioni nei sistemi di automazione.

Definizione di un PID controller

Il termine PID è l’acronimo di Proporzionale-Integrale-Derivativo ed è un dispositivo che viene utilizzato per controllare diverse variabili di processo come pressione, flusso, temperatura e velocità in ambito industriale. Questo strumento, comunemente detto PID controller, è di fatto un tipo di dispositivo spesso impiegato nei sistemi di controllo.

Infatti, nel settore dell’automazione industriale, i PID controller sono utilizzati per la regolazione continua. Sono altresì impiegati nella raffinazione e in diversi altri ambiti industriali. Il controllo del sistema è una disciplina fondamentale nell’ingegneria, dedicata alla regolazione di variabili di processo per garantire stabilità e prestazioni ottimali. La continua regolazione di determinati parametri consente ai processi di operare come programmato, prevenendo fermi macchina e guasti nei casi più gravi.

Tra le diverse tecniche di controllo, il controller PID  si distingue per la sua efficacia e versatilità. Un PID controller è quindi un tipo di controllore che impiega tre strategie di controllo distinte per regolare un sistema: proporzionale (P), integrale (I) e derivativa (D). Queste tre azioni collaborano per ridurre al minimo l’errore tra il valore desiderato (setpoint) e il valore attuale (variabile di processo) di un sistema.

Efficienza di un PID controller

Un controllore PID è un algoritmo di controllo basato su parametri specifici. Matematicamente, un regolatore PID analizza il segnale di errore, con azioni suddivisibili in tre componenti:

• azione proporzionale (P);
• azione integrativa (I);
• azione derivativa (D).

Andando nello specifico, il PID controller calcola un’uscita di controllo che viene poi utilizzata per influenzare il comportamento del sistema:

• controllo proporzionale (P). La componente proporzionale fornisce un’uscita che è direttamente legata all’errore di processo. Ad esempio, se l’errore è significativo, l’uscita sarà altrettanto significativa, e viceversa. Questa componente è essenziale poiché offre una risposta immediata agli errori;
• controllo integrale (I). La componente integrale considera l’errore accumulato nel tempo, somma gli errori passati e genera un’uscita che cresce nel tempo fino a quando l’errore non viene completamente eliminato. Questo è utile per ridurre l’errore a regime, un problema comune nei sistemi che utilizzano solo il controllo proporzionale;
• controllo derivativo (D). La componente derivativa prevede l’andamento futuro dell’errore, calcolando la velocità con cui esso sta cambiando. In questo modo, il controllore può anticipare le variazioni e agire di conseguenza, contribuendo alla stabilità del sistema e riducendo oscillazioni e overshoot.

In poche parole, lo scopo principale di un controllore PID è di confrontare un valore di riferimento con la misura del processo per minimizzare l’errore. Infatti, il controllo PID è una strategia efficace per gestire sistemi complessi in modo da raggiungere e mantenere un set-point desiderato. Le sue tre azioni, proporzionale, integrale e derivata, collaborano per offrire un controllo stabile e reattivo nei sistemi di automazione industriale.

Dove viene impiegato un PID controller?

Un regolatore industriale PID è utilizzato:

• nelle applicazioni di refrigerazione, dove è utile per regolare automaticamente la temperatura ottimale, attivando e disattivando l’uscita per mantenere il valore al livello predefinito;
• nei forni industriali per trattamenti termici, di metallurgia, oppure nei forni di fusione, di sinterizzazione e ancora nei forni per metalli preziosi e ceramica;
• negli essiccatoi;
• nelle macchine bordatrici per il legno;
• nelle macchine soffiatrici per la plastica;
• nelle macchine di termoformatura.

Applicazioni nei sistemi di automazione

Nello specifico, i PID controller sono utilizzati in vari settori grazie alla loro flessibilità e capacità di adattarsi a diverse situazioni. Ecco alcuni esempi di applicazione:

• controllo della temperatura (negli impianti di riscaldamento o refrigerazione, i PID controller vengono utilizzati per mantenere la temperatura desiderata. Monitorando costantemente la temperatura attuale e confrontandola con quella impostata, il controller regola il riscaldamento o il raffreddamento necessario per evitare oscillazioni e garantire una temperatura stabile);
• controllo della velocità nei motori (nei sistemi di automazione industriale, i motori elettrici sono spesso controllati tramite PID controller per assicurarsi che raggiungano e mantengano una velocità specifica, ottimizzando così l’efficienza e la produttività);
• controllo di livello nei serbatoi (iPID controller possono anche gestire il livello dei fluidi nei serbatoi, regolando pompe e valvole per mantenere il livello desiderato senza fluttuazioni indesiderate);
• robotica (i PID controller sono impiegati nel controllo dei servomotori, consentendo ai robot di eseguire movimenti precisi e controllati);
• sistemi eolici (nelle applicazioni aerodinamiche, come nel controllo delle turbine, i PID controller garantiscono che le pale ruotino in modo ottimale per massimizzare l’estrazione di energia eolica).

Come impostare un PID controller?

I moderni controller PID sono provvisti di pannelli di comando con schermi a colori e un’interfaccia grafica user-friendly. Queste caratteristiche rendono più agevole la configurazione di un controllore PID durante l’installazione o ogni volta che si renda necessario.

La configurazione è spesso realizzabile senza manuale, grazie ai suggerimenti e ai messaggi di aiuto che assistono i vari passaggi della configurazione. Per facilitare le operazioni di configurazione di più controller, è possibile anche clonare la configurazione.

In aggiunta alla regolazione in loco, i regolatori possono essere impostati tramite PC utilizzando il software fornito dal produttore. Anche in questo caso, le procedure sono assistite e basta rispondere a poche domande per caricare o creare le ricette operative.

Come funziona un sistema di regolazione PID?

Come accennato, un sistema PID si basa sul feedback, il che implica che il segnale in uscita da un dispositivo venga misurato e confrontato con i valori desiderati. Se c’è una discrepanza tra il valore misurato e quello atteso, il regolatore PID calcola e applica la correttiva. Questo processo si ripete continuamente, quindi il segnale in uscita viene misurato a ogni ciclo e l’eventuale correzione è applicata al dispositivo controllato.

I moderni regolatori PID integrano anche tecnologie per la manutenzione preventiva, offrendo:

• diagnostica per guasti o collegamenti errati;
• variabili fuori scala;
• altre anomalie riscontrate durante il controllo;
• possibilità di conteggiare le attuazioni per avvisare quando un attuatore necessita di sostituzione.

Vantaggi

Un controller PID offre numerosi vantaggi, tra cui la sua semplicità e l’ampia versatilità. Essendo un approccio standard in molte applicazioni ingegneristiche, molti ingegneri sono già familiari con il suo funzionamento e la sua implementazione. Inoltre, l’uso di controller PID consente una regolazione efficace e tempestiva degli errori, contribuendo a migliorare la stabilità del sistema.

I sistemi di controllo PID sono quindi utili per i seguenti motivi:

• efficacia nella regolazione dei processi nonostante incertezze modello;
• standardizzazione che porta a maggiore affidabilità e costo ridotto;
• taratura dei parametri attraverso esperimenti semplici.

Limitazioni

Tuttavia, ci sono anche delle limitazioni. La sintonizzazione dei parametri può risultare complessa e richiede una certa esperienza. Una configurazione errata può portare a comportamenti indesiderati come oscillazioni e instabilità. Inoltre, i controller PID non sono sempre adatti a sistemi non lineari o in presenza di ritardi significativi nella risposta del sistema.

Conclusioni

In conclusione, grazie ai sistemi PID, il controllo è facilitato, perché per modificare il suo comportamento è sufficiente intervenire su determinati parametri e ottenere riscontri continui per una regolazione automatica di diversi processi industriali. In pratica, il controller PID è uno strumento fondamentale nei sistemi di automazione, perché garantisce prestazioni ottimali grazie alla sua capacità di regolare i processi in base agli errori misurati. Nonostante alcune limitazioni, i controller PID restano una scelta privilegiata in molti settori e la continua evoluzione delle tecnologie di controllo promette ulteriori miglioramenti nelle applicazioni pratiche, spingendo i confini dell’automazione verso nuove frontiere.

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