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3 – Azioni PID

In un regolatore PID lavorano ,  se abilitate , contemporaneamente queste tre azioni :

Proporzionale – Integrale -Derivativa .

Ora analizzeremo singolarmente le azioni sopra menzionate pet capirne la loro funzionalità .

Proporzionale o Banda Proporzionale

E’ la zona intorno al setpoint in cui il regolatore sta realmente gestendo il processo.

L’uscita è sempre ad un certo livello tra 100% e 0%.

La Banda è concentrata generalmente intorno al setpoint (con singola uscita di controllo) e induce l’uscita ad essere al 50% quando il setpoint e la variabile di processo sono uguali .

Con due uscite di controllo (per es. raffreddamento/riscaldamento) ci sono due bande proporzionali.

Una è per il riscaldamento ed una è per il raffreddamento.
In questo caso le fasce si congiungono generalmente al setpoint come indicato sotto.

Se la banda proporzionale è troppo stretta si avrà un’oscillazione intorno al setpoint .
Se la banda di proporzionale è troppo larga il controllo risponderà in modo lento e potrebbe occorrere molto tempo per raggiungere il setpoint o potrebbe non rispondere adeguatamente ai disturbi.

La rappresentazione su grafico dell’azione proporzionale rende più semplice capire il rapporto che intercorre tra il valore di uscita del regolatore e la varibile di processo .

Nel grafico sopra X rappresenta la variabile di processo mentre Y l’uscita del regolatore e BP è la banda proporzionale .

La banda proporzionale , a differenza dell’azione integrale e derivativa che sono dei tempi normalmente espressi in secondi o minuti  , può essere espressa in diversi modi :

  1. Come percentuale sul fondo scala di misura dell’ingresso .
  2. In unità ingegneristiche ( es. °C , Bar , mm)
  3. Come guadagno . In questo caso il rapporto che lega il Guadagno alla Banda proporzionale è :  G = 100/Pb
Reset Manuale

Virtualmente , al raggiungimento del setpoint , nessun processo richiede esattamente il 50% di uscita per controllo a singola uscita oppure lo 0% per controllo a due uscite.

Per questo molti regolatori di vecchio tipo hanno inserito una regolazione chiamata reset manuale (anche chiamata offset).

Questa regolazione permette all’utente di ridefinire la percentuale di uscita al raggiungimento del setpoint.

Un controllo di tipo proporzionale senza reset manuale o automatico (il reset automatico è l’azione integrale) si assesterà in qualche punto all’interno della banda proporzionale ma probabilmente non esattamente sul setpoint.

Alcuni controlli di nuova generazione stanno utilizzando il reset manuale (come valore programmabile dall’utente ) congiuntamente al reset automatico (azione integrale) .

Questa funzione permette all’utente di preprogrammare il valore approssimativo dell’uscita al setpoint e ottenere un assestamento più rapido del sistema.

Integrale (reset automatico)

L’azione integrale corregge automaticamente l’uscita di comando in base ad un tempo per ogni offset (setpoint – variabile di processo) spostando la banda proporzionale .

L’azione integrale ridefinisce i requisiti dell’uscita al setpoint fino a che la variabile di processo ed il setpoint saranno uguali.

La maggior parte dei regolatori attuali permettono che l’utente regoli la velocità con cui si tenta di correggere l’offset di temperatura.

I costruttori di regolatori visualizzano il valore di azione integrale come tempo in minuti, minuti/ripetizioni (m/r) o ripetizioni al minuto (r/m).

Questa differenza è estremamente importante da notare in quanto le ripetizioni / minuto sono l’inverso dei minuti o dei minuti / ripetizione.

La costante di tempo dell’azione integrale deve essere più grande (per azione più lenta grande valore r/m piccolo valore m/r) della risposta del processo.

Se il valore dell’aione integrale (in minuti/ripetizioni) è troppo piccolo ne risulterà un’oscillazione continua (Il reset tenterà di rispondere a ogni offset causando questa oscillazione).

Se il valore dell’aione integrale è troppo lungo (in minuti / ripetizione) il processo impiegherà troppo tempo per assestarsi al setpoint.

L’azione integrale viene disabilitata automaticamente tutte le volte che la variabile di processo è al di fuori della banda proporzionale per evitare problemi durante la fase di avvio del processo .

Quindi l’azione integrale è attiva solo quando la variabile di processo è all’interno della banda proporzionale .

Sotto è riportato un esempio grafico con singola uscita (controllo di riscaldamento) con un 10% di banda proporzionale e un setpoint di 400.

Notate come l’azione integrale sposta la banda proporzionale quando la temperatura (PV) entra nella banda stessa .

Il reset smette di spostare la banda proporzionale non appena il setpoint ed il PV sono uguali.

Nell’esempio l’azione integrale ha determinato che approssimativamente è richiesta un’uscita del 38% per mantenere il setpoint .

Derivata

L’azione derivativa sposta la banda proporzionale ad ogni cambiamento di pendenza della funzione della variabile di processo (o dell’errore ,ovvero “variabile di processo – setpoint”).

La derivata in effetti rallenta (o meglio anticipa) la funzione di regolazione nel tentativo d’evitare sovraelongazioni o sottoelongazioni sia all’avvio di un processo che durante l’assestamento al setpoint dello stesso.

Diversamente dell’azione integrale (reset automatico) l’azione derivativa funziona dovunque all’interno del range dello strumento.

L’azione derivativa solitamente ha una costante di tempo regolabile che dovrebbe essere molto più piccola (veloce) di quella dell’integrale.

Più grande è la costante di tempo più l’azione derivativa avrà effetto.

Una costante di tempo troppo grande causerà una risposta del processo troppo lenta.

Una costante di tempo troppo piccola farà in modo che il processo risponda in modo troppo lento ai disturbi .