ITTO20131066A1 - Sistema e metodo di controllo di una valvola termostatica per una sorgente di alimentazione di tipo elettrochimico ad utilizzo in ambiente marino - Google Patents

Sistema e metodo di controllo di una valvola termostatica per una sorgente di alimentazione di tipo elettrochimico ad utilizzo in ambiente marino

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ITTO20131066A1
ITTO20131066A1 IT001066A ITTO20131066A ITTO20131066A1 IT TO20131066 A1 ITTO20131066 A1 IT TO20131066A1 IT 001066 A IT001066 A IT 001066A IT TO20131066 A ITTO20131066 A IT TO20131066A IT TO20131066 A1 ITTO20131066 A1 IT TO20131066A1
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IT
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signal
error
thermostatic valve
fuzzy
temperature
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IT001066A
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William Tasselli
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Whitehead Sistemi Subacquei S P A
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“SISTEMA E METODO DI CONTROLLO DI UNA VALVOLA TERMOSTATICA PER UNA SORGENTE DI ALIMENTAZIONE DI TIPO ELETTROCHIMICO AD UTILIZZO IN AMBIENTE MARINO”
La presente invenzione è relativa ad un sistema e ad un metodo di controllo di una valvola termostatica per una sorgente di alimentazione di tipo elettrochimico ad utilizzo in ambiente marino; in particolare, la seguente trattazione farà riferimento, senza per questo perdere in generalità, ad un utilizzo di tale sistema e di tale metodo di controllo in un mezzo navale subacqueo, ad esempio in un siluro.
In modo noto, una sorgente di alimentazione di tipo elettrochimico (cosiddetta “pila elettrochimica”) comprende un blocco (o stack) elettrochimico, costituito da almeno due elettrodi, ad esempio di materiali metallici, con differente potenziale elettronegativo, in cui viene fatto circolare un opportuno fluido elettrolitico.
Tale fluido elettrolitico subisce un aumento di temperatura quando si trova all’interno del blocco elettrochimico, a causa della esotermicità delle reazioni chimiche che si verificano all’interno dello stesso blocco elettrochimico.
Il fluido elettrolitico deve quindi generalmente essere estratto dal blocco elettrochimico e raffreddato tramite opportuni sistemi di raffreddamento, per evitare una deriva termica insostenibile dal sistema, per poi essere nuovamente reintrodotto nello stesso blocco elettrochimico.
Il controllo della temperatura del fluido elettrolitico che viene immesso nella pila elettrochimica rappresenta un parametro importante per il funzionamento della sorgente di alimentazione, in particolare in quelle pile le cui prestazioni sono influenzate dai seguenti fattori:
- le correnti di fuga, ovvero le correnti elettriche di perdita che circolano all’interno della pila tra gli elettrodi, che risultano elettricamente connessi dal fluido elettrolitico; e
- la resistenza interna (anche definita resistenza serie) del blocco elettrochimico.
Entrambi questi fattori sono influenzati dalla temperatura del fluido elettrolitico; in particolare, al salire della temperatura, la resistenza elettrica dello stesso fluido elettrolitico diminuisce e le correnti di fuga salgono, mentre la resistenza serie interna al blocco diminuisce.
Studi teorici e sperimentali eseguiti hanno inoltre mostrato che la temperatura di lavoro ottimale dipende dalla potenza erogata dalla pila elettrochimica.
In particolare, quando la potenza richiesta è bassa (ovvero la componente legata alla resistenza serie è bassa), la temperatura del fluido elettrolitico può vantaggiosamente essere ridotta al fine di limitare le correnti di fuga interne, che in queste condizioni risultano maggiormente penalizzanti per il sistema.
Quando viceversa viene richiesta una potenza elevata, la temperatura può essere vantaggiosamente innalzata al fine di ridurre la resistenza serie del blocco elettrochimico.
Per consentire una regolazione della temperatura del fluido elettrochimico, è stato proposto l’utilizzo di un sistema di regolazione, che comprende uno scambiatore di calore, due serbatoi destinati a contenere fluido elettrolitico ed una valvola termostatica.
In particolare, in un primo serbatoio viene riversato fluido elettrolitico caldo, così come viene prelevato dal blocco elettrochimico; un secondo serbatoio contiene invece fluido elettrolitico freddo, ottenuto tramite un raffreddamento del fluido elettrolitico caldo, che viene fatto fluire attraverso lo scambiatore di calore.
La valvola termostatica presenta un primo ed un secondo ingresso, collegati rispettivamente al primo ed al secondo serbatoio, un’uscita collegata ad un ingresso di fluido del blocco elettrochimico, e mezzi di regolazione azionabili per controllare la miscelazione di fluido elettrolitico caldo e fluido elettrochimico freddo da alimentare al blocco elettrochimico, in modo da regolare la temperatura del fluido elettrolitico miscelato.
Ad oggi, tuttavia, non esistono sistemi di controllo del tutto soddisfacenti, per regolare la temperatura del fluido elettrolitico che viene reimmesso nel blocco elettrochimico.
In particolare, all’interno di veicoli subacquei, quali siluri, tale temperatura viene generalmente impostata ad un valore fisso, preimpostato.
Scopo della presente invenzione è quello di fornire una soluzione di controllo, che consenta di superare, in tutto o almeno in parte, le problematiche e le limitazioni associate alle soluzioni note.
Secondo la presente invenzione vengono pertanto forniti un dispositivo ed un metodo di controllo, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 è uno schema a blocchi semplificato di un sistema di controllo di una valvola termostatica per una sorgente di alimentazione di tipo elettrochimico, secondo una forma di realizzazione della presente soluzione;
- la figura 2 è uno schema a blocchi semplificato di un modulo elettronico di controllo del sistema di figura 1;
- la figura 3 mostra l’andamento di “Fuzzy set” di una variabile di ingresso, associati al modulo elettronico di controllo di figura 2;
- la figura 4 mostra una tabella comprendente valori di una “Rule base” associata al modulo elettronico di controllo di figura 2;
- la figura 5 è una rappresentazione schematica di grandezze associate al modulo elettronico di controllo di figura 2;
- la figura 6 mostra l’andamento di “Fuzzy set” di una variabile di uscita, associati al modulo elettronico di controllo di figura 2; e
- la figura 7 è una rappresentazione schematica di un veicolo subacqueo, in particolare un siluro, in cui è utilizzato il sistema di controllo di figura 1.
La presente Richiedente ha verificato che la regolazione della temperatura del fluido elettrolitico che viene reimmesso in una pila elettrochimica presenta una complessità rilevante, specialmente quando il sistema viene utilizzato in ambiente marino, quando cioè si verificano una o più delle seguenti condizioni:
- la pila elettrochimica viene utilizzata all’interno di un veicolo subacqueo;
- lo scambiatore di calore utilizza come sorgente fredda l’acqua di mare;
- lo scambiatore di calore utilizza come parete di scambio una superficie esterna del veicolo subacqueo a contatto con l’acqua di mare;
- il sistema utilizza la potenza elettrica generata, per alimentare un motore elettrico di propulsione dello stesso veicolo subacqueo, che, variando la velocità del veicolo, modifica anche i coefficienti di scambio dello scambiatore di calore.
In generale, la presente Richiedente ha verificato che il sistema risulta in tal caso avere numerose caratteristiche di non linearità, e che di conseguenza l’utilizzo di dispositivi e metodi di controllo tradizionali, ad esempio di tipo PID (Proporzionale – Integrativo – Derivativo), trova ostacolo nella corretta definizione/modellizzazione delle funzioni di trasferimento dei vari blocchi che costituiscono il sistema stesso.
Con riferimento alla figura 1, viene ora descritto un sistema di controllo, indicato in generale con 1, per il controllo di una valvola termostatica 2, in particolare per un utilizzo in ambiente marino, ad esempio subacqueo.
In particolare, la valvola termostatica 2 comprende un corpo valvola 4 e presenta: un primo ingresso di fluido 5a, per l’immissione di fluido elettrolitico ad una prima temperatura, cosiddetta “calda”; un secondo ingresso di fluido 5b, per l’immissione di fluido elettrolitico ad una seconda temperatura, inferiore alla prima temperatura, cosiddetta “fredda”; ed un’uscita di fluido 5c, in corrispondenza della quale fornisce fluido elettrolitico miscelato ad una terza temperatura, regolata ad un valore desiderato.
Come sarà illustrato in maggiore dettaglio in seguito, l’uscita di fluido 5c è accoppiata ad un ingresso di fluido di un blocco elettrochimico di una sorgente di alimentazione (pila di tipo elettrochimico), ad esempio di un veicolo subacqueo.
Inoltre, il primo ingresso di fluido 5a può essere accoppiato al blocco elettrochimico, in modo da ricevere il fluido elettrolitico caldo che si genera in seguito alle reazioni chimiche di tipo esotermico e che viene estratto dallo steso blocco elettrochimico; ed il secondo ingresso di fluido 5b può essere accoppiato ad uno scambiatore di calore che raffredda il fluido elettrolitico in uscita dallo stesso blocco elettrochimico.
La valvola termostatica 2 comprende inoltre un attuatore 6, ad esempio includente o cooperante con un motore elettrico (non illustrato), e, in modo qui non illustrato, mezzi di regolazione, comandati dall’attuatore 6 per variare la miscelazione dei fluidi elettrolitici caldo e freddo e regolare così la temperatura del fluido elettrolitico fornito in corrispondenza dell’uscita di fluido 5c.
Ad esempio, i mezzi di regolazione comprendono un setto mobile, azionato dall’attuatore 6, ad esempio con un movimento di rotazione, per modificare all’interno del corpo valvola 4 una rispettiva luce per i fluidi elettrolitici caldo e freddo, in modo tale da variarne la miscelazione in uscita.
Il sistema di controllo 1 comprende inoltre: un modulo elettronico di controllo 10, comprendente un’unità di elaborazione a microcontrollore (o microprocessore, DSP -Digital Signal Processor, o analogo elemento di elaborazione digitale), configurata in modo da fornire un segnale di comando Scall’attuatore 6 della valvola termostatica 2, tale da ottenere una regolazione desiderata del fluido elettrolitico in corrispondenza dell’uscita di fluido 5c; un sensore di temperatura 12, ad esempio una termocoppia, accoppiato all’uscita di fluido 5c per rilevare la temperatura di uscita Toutdel fluido elettrolitico risultato della miscelazione da parte della valvola termostatica 2 e fornire un segnale di temperatura di uscita Tout(t), variabile nel tempo; ed un sensore di posizione 14, accoppiato ai mezzi di regolazione della stessa valvola elettrostatica 2, per rilevarne una posizione (ad esempio, la posizione di rotazione del suddetto setto mobile).
Il modulo elettronico di controllo 10 riceve inoltre in ingresso, ad esempio tramite un’interfaccia digitale, quale un bus di comunicazione dati 15, ad esempio un bus CAN (Controller Area Network), un segnale di temperatura di riferimento Tref(t), variabile nel tempo. Il segnale di temperatura di riferimento Tref(t) rappresenta, istante per istante, un valore obiettivo per la suddetta temperatura di uscita Toute/o un valore di una grandezza associata a tale temperatura di riferimento Tref(ad esempio una potenza elettrica desiderata che deve essere fornita dalla sorgente di alimentazione di tipo elettrochimico).
Il suddetto valore di temperatura di riferimento Trefviene ad esempio generato da un’unità elettronica di gestione principale (qui non illustrata) del veicolo subacqueo in cui è impiegata la valvola termostatica 2, ad esempio sulla base di una potenza desiderata che deve essere fornita dalla relativa sorgente di alimentazione.
In funzione della differenza fra il valore di temperatura di uscita Toutrilevato dal sensore di temperatura 12 e quello ottimale ricevuto in ingresso, ovvero il valore di temperatura di riferimento Tref, il modulo elettronico di controllo 10 è configurato in modo da variare la miscelazione dei fluidi elettrolitici caldo e freddo, generando il segnale di comando Scavente un opportuno valore.
Analizzando il sistema, come del resto già evidenziato in precedenza, è possibile riscontrare numerosi aspetti di non linearità.
Ad esempio, la temperatura di uscita Toutdel fluido elettrolitico miscelato non è funzione lineare dello spostamento (ad esempio per rotazione) dei mezzi di regolazione della valvola elettrostatica 2; basti infatti pensare al fatto che la temperatura del fluido elettrolitico freddo contenuto all’interno dello scambiatore di calore è legata al tempo di percorrenza all’interno dello stesso scambiatore di calore, che, tuttavia, è a sua volta influenzato dalla posizione degli stessi mezzi di regolazione della valvola elettrostatica 2.
Secondo un aspetto particolare della presente soluzione, il modulo elettronico di controllo 10 è pertanto configurato per implementare una logica di controllo di tipo “Fuzzy”, al fine di realizzare un efficace controllo della temperatura di uscita Toutdel fluido elettrolitico, vantaggiosamente anche in condizioni di non linearità, come quelle associate all’utilizzo in ambiente marino, in particolare in un veicolo subacqueo.
In dettaglio, e come mostrato in figura 2, il modulo elettronico di controllo 10 comprende uno stadio sottrattore 20 ed uno stadio derivatore 22.
Lo stadio sottrattore 20 presenta un primo ingresso 20a atto a ricevere il segnale di temperatura di riferimento Tref(t), un secondo ingresso 20b atto a ricevere il segnale di temperatura di uscita Tout(t), ed un’uscita 20c atta a fornire un segnale di errore e(t), come risultato della differenza fra il valore del segnale di temperatura di uscita Tout(t) ed il valore del segnale di temperatura di riferimento Tref(t):
e(t) = Tout(t) - Tref(t).
Lo stadio derivatore 22 è accoppiato all’uscita 20c per ricevere il segnale di errore e(t), ed è configurato per eseguire un’operazione di derivazione temporale dello stesso segnale di errore e(t), per la generazione di un segnale di derivata di errore D(e(t)).
Il modulo elettronico di controllo 10 comprende inoltre uno stadio “Fuzzyficatore” (Fuzzyfier) 24, che riceve in ingresso i valori puntuali (cosiddetti “valori crisp”) del segnale di errore e(t) dallo stadio sottrattore 20 e del segnale di derivata di errore D(e(t)) dallo stadio derivatore 22, ed implementa un’operazione di fuzzyficazione di tali valori, ovvero di descrizione dei valori di ingresso in linguaggio Fuzzy.
A tal fine, lo stadio Fuzzyficatore 24 è accoppiato ad una prima memoria 25, che contiene i “Fuzzy set” per eseguire l’operazione di Fuzzyficazione dei valori del segnale di errore e(t) e del segnale di derivata di errore D(e(t)).
L’operazione di Fuzzyficazione prevede infatti di associare a ciascun valore puntuale di una variabile di ingresso, un grado di appartenenza ad uno o più Fuzzy set precedentemente definiti (tale grado di appartenenza potendo generalmente assumere un valore compreso tra 0 e 1, o, analogamente, tra 0% e 100%), mediante una funzione di appartenenza. Sebbene l’intervallo di valori compresi tra 0 e 1 sia uno dei più comunemente utilizzati per rappresentare il grado di appartenenza, può essere tuttavia utilizzato un qualsiasi insieme arbitrario con un ordinamento naturale completo o parziale.
L’operazione di Fuzzyficazione restituisce dunque in uscita, a partire da un dato valore della variabile di ingresso, un insieme di coppie ordinate costituite ciascuna da un Fuzzy set individuato e da un grado di appartenenza allo stesso Fuzzy set, determinato in base alla funzione di appartenenza.
In una possibile forma di realizzazione della presente soluzione, i Fuzzy set impiegati per l’operazione di Fuzzyficazione sono i seguenti:
NB – “Negative Big”: corrispondente ad un elevato valore negativo della variabile di ingresso, ovvero del segnale di errore e(t) o del segnale di derivata di errore D(e(t));
NM – “Negative Medium”: corrispondente ad un valore medio negativo della variabile di ingresso;
NS – “Negative Small”: corrispondente ad un ridotto valore negativo della variabile di ingresso;
ZE – “Zero”: corrispondente ad un valore sostanzialmente nullo, o comunque che non si discosta da un valore nullo più di un certo intervallo, della variabile di ingresso;
PB – “Positive Big”: corrispondente ad un elevato valore positivo della variabile di ingresso;
PM – “Positive Medium”: corrispondente ad un valore medio positivo della variabile di ingresso; e
PS – “Positive Small”: corrispondente ad un ridotto valore positivo della variabile di ingresso.
Le funzioni di appartenenza ai suddetti Fuzzy set sono illustrate in figura 3 (relativamente al segnale di errore e(t), ma considerazioni del tutto analoghe si applicano per il segnale di derivata di errore D(e(t))); tali funzioni presentano, ciascuna, un andamento “a campana” centrato intorno ad un rispettivo valore della variabile di ingresso, in questo caso il segnale di errore e(t).
I valori di appartenenza per ciascuno dei Fuzzy set, definiti dalle suddette funzioni, sono mappati nella prima memoria 25, per ogni possibile valore delle variabili di ingresso e(t), D(E(t)).
In particolare, le funzioni di appartenenza dei Fuzzy set sono definite in modo tale che, per ciascun valore della variabile di ingresso e(t), D(E(t)) esistano solamente due Fuzzy set che risultano attivi in contemporanea.
Come esemplificato nella Figura 3, ad un generico valore e1del segnale di errore e(t) (ma, si ribadisce, considerazioni del tutto analoghe valgono per il segnale di derivata di errore D(e(t))) corrispondono due gradi di appartenenza a due corrispondenti Fuzzy set, nell’esempio: un primo valore µe1di appartenenza ad un primo Fuzzy set Fe1, in questo caso ZE, pari a 0,2 o a 20%, ed un secondo valore µe2di appartenenza ad un secondo Fuzzy set Fe2, in questo caso PS, pari a 0,8 o a 80%. In altre parole, il valore e1del segnale di errore e(t) appartiene con un grado di appartenenza del 20% al Fuzzy set ZE e con un grado di appartenenza del 80% al Fuzzy set PS.
Nella forma di realizzazione illustrata, in particolare, i Fuzzy set sono configurati in modo tale che la somma dei suddetti due gradi di appartenenza (nell’esempio µe1e µe2) sia pari a 1, o a 100%.
Lo stadio Fuzzyficatore 24, pertanto, fornisce in uscita per ogni valore delle variabili in ingresso, e(t), D(e(t)), l’identificativo dei due Fuzzy set selezionati e i relativi gradi di appartenenza, ovvero le coppie seguenti: Fe1, µe1; Fe2, µe2per il segnale di errore e(t); e le coppie seguenti: Fde1, µde1; Fde2, µde2per il segnale di derivata di errore D(e(t)).
Il modulo elettronico di controllo 10 comprende inoltre uno stadio di elaborazione 26, che implementa il cosiddetto “Fuzzy Inference Engine”, ovvero configurato per determinare gli identificativi dei Fuzzy set della variabile di uscita, ed i relativi gradi di appartenenza, a partire dagli identificativi dei Fuzzy set selezionati in ingresso e dei relativi gradi di appartenenza, sulla base di determinate regole di selezione prefissate.
Tali regole di selezione sono codificate nella cosiddetta “Rule Base”, che è memorizzata in una seconda memoria 27, accoppiata operativamente allo stadio di elaborazione 26.
La variabile di uscita in questione è, nel presente caso, il valore del segnale di comando Sc(t) da fornire all’attuatore 6 della valvola termostatica 2. In una forma di realizzazione, tale segnale di comando Scdetermina un desiderato grado di rotazione del setto mobile comandato dal suddetto attuatore 6.
In particolare, lo stadio di elaborazione 26 è configurato, per la determinazione dei Fuzzy set della variabile di uscita, Sc(t), in modo da considerare in maniera congiunta i valori Fuzzy di entrambe le variabili di ingresso, e(t) e D(e(t)), i quali dipendono, come discusso precedentemente, dai valori puntuali (ovvero, istante di tempo per istante di tempo) del segnale di errore e(t) e del segnale di derivata di errore D(e(t)).
La figura 4 riassume in forma tabellare una possibile forma di realizzazione delle regole di selezione per la determinazione dei Fuzzy set della variabile di uscita; come si può notare, gli identificativi dei possibili Fuzzy set della variabile di uscita corrispondono a quelli considerati per le variabili in ingresso: “NB”, “NM”, “NS”, “ZE”, “PS”, “PM”, “PB”.
In particolare, la tabella riassume le suddette regole di selezione, indicando, in ciascuna casella all’incrocio delle righe (che corrispondono ai Fuzzy set del segnale di derivata di errore D(e(t))) e delle colonne (che corrispondono ai Fuzzy set del segnale di errore e(t)) il risultante Fuzzy set per la variabile di uscita Sc(t).
In generale, i criteri applicati dalle suddette regole di selezione possono meglio essere compresi dall’analisi dello schema di figura 5.
Per ogni fascia di appartenenza del segnale di errore e(t), ovvero per ogni Fuzzy set ad esso associato, viene definita una pendenza desiderata (mostrata dall’inclinazione della corrispondente freccia nella suddetta figura 5), in modulo via via decrescente man mano che lo stesso segnale di errore e(t) assume valori a sua volta decrescenti, avvicinandosi alla fascia corrispondente al Fuzzy set ZE. Tale pendenza corrisponde all’appartenenza, ad un corrispondente Fuzzy set, del segnale di derivata di errore D(e(t)), come illustrato nella stessa figura 5.
Lo stadio di elaborazione 26 opera dunque in modo da generare opportune azioni correttive tali da portare la derivata del segnale di errore D(e(t)) alla pendenza desiderata, in funzione della fascia entro la quale si trovano i valori di volta in volta elaborati del segnale di errore e(t).
Se ad esempio il segnale di errore e(t) si trova nella fascia “NS” (ovvero, il valore istantaneo dello stesso segnale di errore e(t) è associato al Fuzzy set NS), ma la sua pendenza (determinata dal segnale derivata di errore D(e(t)) è “PB”, lo stadio di elaborazione 26 opera in modo tale da generare un segnale di comando Sc(t) tale da modificare leggermente la configurazione della valvola termostatica 2, così da far fluire verso l’uscita di fluido 5c una minore quantità di fluido elettrolitico caldo (nel caso specifico, selezionando il Fuzzy set “PM” per la variabile di uscita). In tal modo, la pendenza del segnale di errore e(t) può progressivamente riportarsi al valore desiderato (in questo caso un valore ridotto positivo, “PS”).
Se invece il segnale di errore e(t) si trova nella stessa fascia “NS”, ma la sua pendenza è prossima a quella desiderata, essendo ad esempio “PM”, lo stadio di elaborazione 26 opera una correzione minore (selezionando il Fuzzy set “PS” per la variabile di uscita).
Di conseguenza, se il segnale di errore e(t) si trova nella stessa fascia “NS”, ma la sua pendenza è già quella desiderata “PS”, lo stadio di elaborazione 26 non opera alcuna correzione sostanziale (selezionando il Fuzzy set “ZE” per la variabile di uscita).
Come ulteriore esempio, nel caso in cui, con il segnale di errore e(t) nella suddetta fascia “NS”, la pendenza risulti negativa, ad esempio “NS”, lo stadio di elaborazione 26 opera in modo tale da generare un segnale di comando Sc(t) tale da modificare in senso opposto la configurazione della valvola termostatica 2, così da far fluire verso l’uscita di fluido 5c una maggiore quantità di fluido elettrolitico caldo (nel caso specifico, selezionando il Fuzzy set “NS” per la variabile di uscita). In tal modo, la pendenza del segnale di errore e(t) può nuovamente riportarsi in maniera progressiva al valore desiderato “PS”.
Inoltre, il grado di appartenenza per ciascun Fuzzy set della variabile di uscita Sc(t) viene determinato con la legge del minimo. In altre parole, il grado di appartenenza del Fuzzy set in uscita è il minimo fra i due gradi di appartenenza dei Fuzzy set delle variabili di ingresso e(t), D(e(t)), dai quali è stato derivato.
Ad esempio, se il Fuzzy set di uscita “NB” è derivato dalla coppia (NB, 0,2) per il segnale e(t), e dalla coppia (NB, 0,3) per il segnale D(E(t)), allora il grado di appartenenza al Fuzzy set “NB” del segnale di uscita Sc(t) è pari a 0,2 (ovvero al minimo tra i suddetti gradi di appartenenza 0,2 e 0,3).
Il modulo elettronico di controllo 10 comprende inoltre uno stadio defuzzyficatore 28, che implementa la “defuzzyficazione” della variabile di uscita Sc(t), fornendo valori puntuali (i cosiddetti valori “crisp”), in funzione dei Fuzzy set individuati dallo stadio di elaborazione 26 e dei relativi gradi di appartenenza.
Come mostrato in figura 6, in una possibile forma di realizzazione, le funzioni di appartenenza dei Fuzzy set associati alla variabile di uscita Sc(t) sono rappresentate da rispettive delta, centrate su valori (indicati con -aNB, -aNM, -aNS, 0, aPS, aPM, aPB), che sono ad esempio equispaziati nell’intervallo che può essere assunto dalla variabile di uscita Sc(t).
Ad esempio, nel caso in cui la variabile di uscita Sc(t) sia associata ad una rotazione del setto mobile della valvola termostatica 2 comandato dall’attuatore 6, i suddetti valori puntuali possono corrispondere ad angoli di rotazione desiderati dello stesso setto mobile. Ad esempio, tali valori possono essere i seguenti: -1,56, -1,04, -0,52, 0, 0,52, 1,04, 1,56, misurati in rad/s.
Queste funzioni di appartenenza per i Fuzzy set della variabile di uscita Sc(t) presentano il vantaggio di semplificare l’algoritmo di calcolo dei valori puntuali della stessa variabile di uscita Sc(t); in una forma di realizzazione, tale algoritmo può ridursi al calcolo di una media pesata.
Ad esempio, nel caso in cui i due Fuzzy set individuati dallo stadio di elaborazione 26 siano rappresentati dalle coppie: (NS, 0,1) e (PM 0,2), il valore puntuale della variabile di uscita, Sc, può essere determinato tramite la seguente media pesata:
−a
SNS ⋅0,1+ a PM ⋅0, 2
c =
(0,1 0,2 )
In generale, date le coppie (Fi, µi) e (Fj, µj) individuate dallo stadio di elaborazione 26, la suddetta espressione diventa:
aFi ⋅µi aFj ⋅ µ j
S c =
(µi+ µj)
I valori così determinati per la variabile di uscita, il segnale di comando Sc, vengono quindi inviati dal modulo elettronico di controllo 10 all’attuatore 6 della valvola termostatica 2, al fine di regolare la temperatura di uscita Toutdel fluido elettrolitico che viene alimentato all’ingresso del blocco elettrochimico.
L’algoritmo di controllo di tipo Fuzzy precedentemente descritto prevede dunque di valutare l’entità dell’errore fra il valore del segnale di temperatura di uscita Tout(t) ed il valore del segnale di temperatura di riferimento Tref(t), associando a tale errore una fascia di appartenenza intorno allo 0 (che rappresenta la condizione ideale, di assenza di errore).
Inoltre, tale algoritmo di controllo prevede di associare a ciascuna fascia di appartenenza una pendenza (o variazione) desiderata dello stesso errore e(t) (rappresentata dal segnale di derivata di errore D(e(t)), e di fare in modo, mediante opportuna regolazione della configurazione di apertura della valvola termostatica 2, di far sì che la variabilità (o pendenza) misurata dell’errore si avvicini a quella desiderata.
Obiettivo dell’algoritmo di controllo è in generale quello di annullare in tempi rapidi l’errore e(t), per portare la temperatura di uscita Toutdel fluido elettrolitico al valore desiderato, reagendo tempestivamente al mutare delle condizioni operative.
Come precedentemente indicato, la soluzione descritta può trovare vantaggiosa applicazione all’interno di un veicolo subacqueo, ad esempio un siluro, come illustrato schematicamente in figura 7.
Il veicolo subacqueo, indicato con 30, comprende un corpo tubolare, avente un asse di estensione longitudinale A, avente una sezione centrale (raffigurata in figura 7) al cui interno è definita una camera 31, alloggiante un blocco elettrochimico 41, in questo caso destinato a fornire alimentazione elettrica ad un motore di propulsione dello stesso veicolo subacqueo 30 (indicato schematicamente con 42) e/o ad apparati di controllo di bordo (non illustrati). In particolare, il blocco elettrochimico 41, in uso ed in maniera di per sé nota, è destinato ad essere riempito di acqua di mare, operante da fluido elettrolitico.
In posizione adiacente alla camera 31, la sezione centrale presenta un primo serbatoio 32a (anteriormente alla camera 30 rispetto all’asse longitudinale A) ed un secondo serbatoio 32b (posteriormente alla stessa camera 30 rispetto allo stesso asse longitudinale A), destinati a contenere rispettivamente fluido elettrolitico caldo e fluido elettrolitico freddo.
In particolare, un condotto 33 mette, in almeno determinate condizioni operative, in comunicazione il primo serbatoio 32a con la camera 31, in modo tale che fluido elettrolitico caldo, prelevato dall’interno del blocco elettrochimico, entri nello stesso primo serbatoio 32a. Parte di tale fluido elettrolitico caldo è inoltre opportunamente diretto verso uno scambiatore di calore 34, che è costituito da un’intercapedine realizzata all’interno della sezione centrale del veicolo subacqueo 30 ed avente una parete esterna direttamente a contatto dell’acqua marina, indicata con 35. Il fluido elettrolitico, una volta raffreddato dallo scambiatore di calore 34, raggiunge il secondo serbatoio 32b.
La valvola termostatica 2 si trova, nella forma di realizzazione illustrata, all’intero del primo serbatoio 32a, immersa nel fluido elettrolitico caldo.
Pertanto, il primo ingresso di fluido 5a è costituito da un’apertura in comunicazione fluidica diretta con il primo serbatoio 32a; il secondo ingresso di fluido 5b è invece collegato fluidicamente al secondo serbatoio 32b tramite un condotto di ingresso 36, che mette in comunicazione lo stesso secondo serbatoio 32b con il primo serbatoio 32a; mentre l’uscita di fluido 5c della valvola termostatica 2 è collegata fluidicamente ad un ingresso del blocco elettrochimico, per alimentare il fluido elettrolitico miscelato, a temperatura desiderata, che viene reimmesso nello stesso blocco elettrochimico.
Inoltre, un motore elettrico 38, comandato dal modulo elettronico di controllo 10, pilota l’attuatore 6 della valvola elettrostatica 2, ad esempio comandando una sua rotazione intorno ad un albero di rotazione.
Nella forma di realizzazione illustrata, il modulo elettronico di controllo 10 ed il motore elettrico 38 sono disposti all’esterno della prima camera 30a, in zona cosiddetta “asciutta”.
L’algoritmo di controllo secondo la logica Fuzzy precedentemente descritto in dettaglio è vantaggiosamente implementato come firmware nel modulo elettronico di controllo 10, in particolare nel relativo microcontrollore (che memorizza pertanto opportune istruzioni e procedure software).
La soluzione descritta realizza pertanto una sorgente di alimentazione elettrica 40, ad utilizzo in ambiente marino, ad esempio per il veicolo subacqueo 30, comprendente in particolare: il blocco elettrochimico 41, la valvola termostatica 2, il modulo elettronico di controllo 10 e l’associato motore elettrico 38.
I vantaggi della soluzione descritta emergono in maniera evidente dalla discussione precedente.
In particolare, si sottolinea nuovamente che tale soluzione consente di realizzare una efficace regolazione elettronica della temperatura del fluido elettrolitico in ingresso ad una sorgente di alimentazione di tipo elettrochimico, anche in situazioni di forte non linearità, ed in particolare consente di variare elettronicamente la temperatura obiettivo (cosiddetto “set point”) a cui effettuare tale regolazione.
La variazione della temperatura obiettivo di regolazione consente di ottimizzare in condizione dinamica, durante il funzionamento, le prestazioni della sorgente di alimentazione di tipo elettrochimico, ad esempio in funzione della quantità di potenza di volta in volta richiesta dalle condizioni di funzionamento.
La soluzione di controllo non richiede infatti una modellizzazione accurata del sistema e delle relative funzioni di trasferimento, in tal modo affrontando le non linearità del sistema, e non richiede inoltre complesse operazioni di elaborazione.
Inoltre, risulta possibile variare il comportamento del sistema di controllo in modo semplice e veloce, agendo sulle regole e sulle leggi della logica di controllo Fuzzy, opportunamente codificate in memoria, senza che siano richieste modifiche hardware.
Tale variazione può anche essere implementata mediante un’interfaccia digitale di controllo, per adattarsi in tempo reale a variazioni delle condizioni operative.
La soluzione descritta può essere vantaggiosamente implementata anche in microcontrollori (o analoghe unità di elaborazione digitale) aventi capacità di calcolo limitate, ad esempio in microcontrollori ad 8 bit. Oltre a rappresentare un vantaggio economico, in termini di risparmio di costo, tale caratteristica consente di incrementare le prestazioni di sicurezza del sistema (dato che, in generale, microcontrollori più semplici presentano una affidabilità ed una robustezza maggiori).
Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
In particolare, si sottolinea nuovamente come la presente soluzione sia vantaggiosamente applicabile per il controllo di una generica valvola termostatica ad utilizzo in ambiente marino, ad esempio all’interno di un generico veicolo subacqueo, che può anche differire dal siluro precedentemente illustrato, essendo ad esempio una sonda subacquea o uno scandaglio.
Inoltre, è evidente che i dettagli realizzativi dell’algoritmo di controllo descritto in precedenza possono variare, ad esempio per quanto riguarda l’andamento delle funzioni di appartenenza dei Fuzzy set o le regole applicate, a seconda delle specifiche esigenze di controllo del sistema in cui la soluzione è implementata.

Claims (17)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema (1) di controllo in ambiente marino di una valvola termostatica (2) accoppiata ad una sorgente di alimentazione elettrica (40) di tipo elettrochimico, la valvola termostatica (2) essendo dotata di: un corpo valvola (4); un primo ingresso di fluido (5a) atto a ricevere un fluido elettrolitico ad una prima temperatura; un secondo ingresso di fluido (5b) atto a ricevere un fluido elettrolitico ad una seconda temperatura, inferiore della prima; un’uscita (5c) atta a fornire un fluido elettrolitico miscelato, risultato della miscelazione dei fluidi elettrolitici alla prima ed alla seconda temperatura; ed un elemento di regolazione (6), controllabile per regolare detta miscelazione, caratterizzato dal fatto di comprendere un’unità di controllo (10) configurata in modo da: ricevere un segnale di temperatura di riferimento (Tref), variabile nel tempo, ed un segnale di misura di temperatura (Tout) da un sensore di temperatura accoppiato all’uscita (5c) di detta valvola termostatica (2); ed eseguire un algoritmo di controllo implementante una logica Fuzzy, per generare un segnale di comando (Sc) per detto elemento di regolazione (6), in funzione del segnale di temperatura di riferimento (Tref), in modo tale da ridurre un errore tra il segnale di misura di temperatura (Tout) ed il segnale di temperatura di riferimento (Tref).
  2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detta unità di controllo (10) è configurata per implementare: uno stadio sottrattore (20), atto a generare un segnale di errore (e) in funzione della differenza tra il segnale di misura di temperatura (Tout) ed il segnale di temperatura di riferimento (Tref); ed uno stadio derivatore (22), atto a determinare un segnale di derivata di errore (D(e)) in funzione di detto segnale di errore (e); in cui detto algoritmo di controllo è configurato per elaborare congiuntamente detti segnale di errore (e) e segnale di derivata di errore (D(e)) per determinare detto segnale di comando (Sc).
  3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui detta unità di controllo (10) è configurata per implementare: uno stadio “Fuzzyficatore” (24), atto a ricevere in ingresso valori puntuali del segnale di errore (e) dallo stadio sottrattore (20) e del segnale di derivata di errore (D(e)) dallo stadio derivatore (22), ed implementare un’operazione di Fuzzyficazione di tali valori, ovvero di descrizione dei valori di ingresso in linguaggio Fuzzy, sulla base di prefissati Fuzzy set di ingresso; uno stadio di elaborazione (26), atto a determinare Fuzzy set di uscita per il segnale di comando (Sc), a partire dai Fuzzy set di ingresso selezionati dallo stadio Fuzzyficatore (24), sulla base di regole di determinazione prefissate; ed uno stadio defuzzyficatore (28), atto a fornire valori puntuali del segnale di comando (Sc), in funzione dei Fuzzy set di uscita determinati dallo stadio di elaborazione (26).
  4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 3, in cui i Fuzzy set di ingresso rappresentano rispettive fasce di ampiezza, positive e negative, del segnale di errore (e) e del segnale di derivata di errore (D(e)); e dette regole di determinazione sono atte ad associare a ciascuna di dette fasce di ampiezza del segnale di errore (e) una derivata desiderata del segnale di errore (e), tale da portare lo stesso segnale di errore (e) ad un valore prossimo a zero; detto stadio di elaborazione (26) essendo configurato in modo da determinare detti Fuzzy set di uscita per il segnale di comando (Sc), tali per cui la relativa fascia di ampiezza del segnale di derivata di errore (D(e)) corrisponda a detta derivata desiderata.
  5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui detta unità di controllo (10) comprende una prima memoria (25) atta a memorizzare caratteristiche di detti prefissati Fuzzy set di ingresso; ed una seconda memoria (27) atta a memorizzare dati associati a dette regole di determinazione prefissate.
  6. 6. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3-5, in cui a detti Fuzzy set di ingresso sono associate funzioni di appartenenza aventi, ciascuna, un andamento “a campana”, centrato intorno ad un rispettivo valore di ingresso del segnale di errore (e) e del segnale di derivata di errore (D(e)); ed in cui dette funzioni di appartenenza dei Fuzzy set di ingresso sono definite in modo tale che, per ciascun rispettivo valore di ingresso esistano due corrispondenti Fuzzy set, aventi rispettivi gradi di appartenenza (µ), la cui somma fornisce un valore unitario.
  7. 7. Sistema secondo la rivendicazione 6, in cui le regole di determinazione implementate da detto stadio di elaborazione (26) sono atte ad associare a ciascuna coppia, formata da un primo Fuzzy set di ingresso del segnale di errore (e) e da un secondo Fuzzy set di ingresso del segnale di derivata di errore (D(e)), un rispettivo Fuzzy set di uscita, avente una rispettiva funzione di appartenenza determinata dalle funzioni di appartenenza del primo e del secondo Fuzzy set di ingresso, ed un grado di appartenenza pari al minimo tra i gradi di appartenenza del primo e del secondo Fuzzy set di ingresso.
  8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 7, in cui a detti Fuzzy set di uscita sono associate funzioni di appartenenza aventi, ciascuna, un andamento “a delta”, centrato intorno ad un rispettivo valore di uscita (a) del segnale di comando (Sc).
  9. 9. Sistema secondo la rivendicazione 8, in cui detto stadio defuzzyficatore (28) è atto a determinare i valori puntuali del segnale di comando (Sc), mediante la seguente media pesata: aFi⋅µi+ aFj ⋅ µ S c = j (µi+ µj) in cui aFie aFjsono i valori di uscita (a) associati alla coppia di Fuzzy set di uscita Fie Fj, e µie µjsono i rispettivi gradi di appartenenza.
  10. 10. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta unità di controllo (10) presenta un’interfaccia digitale di ingresso atta a ricevere detto segnale di temperatura di riferimento (Tref), attraverso un bus di comunicazione digitale (15).
  11. 11. Sorgente di alimentazione elettrica (40) di tipo elettrochimico, ad utilizzo in ambiente marino, comprendente: una valvola termostatica (2); un blocco elettrochimico (30') operativamente accoppiato alla valvola termostatica (2); ed il sistema di controllo (1) della valvola termostatica (2), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
  12. 12. Sorgente di alimentazione elettrica secondo la rivendicazione 11, comprendente: elementi di alimentazione (33) di fluido elettrolitico caldo, che fuoriesce da detto blocco elettrochimico (30'), al primo ingresso di fluido (5a) della valvola termostatica (2); ed elementi di alimentazione (36) di fluido elettrolitico freddo, proveniente da uno scambiatore di calore (34) atto a ricevere detto fluido elettrolitico caldo, al secondo ingresso di fluido (5b) della valvola termostatica (2); in cui l’uscita (5c) di detta valvola termostatica (2) è accoppiata ad un ingresso di fluido di detto blocco elettrochimico (30').
  13. 13. Veicolo subacqueo (30), comprendente la sorgente di alimentazione elettrica (40) secondo la rivendicazione 11 o 12.
  14. 14. Veicolo secondo la rivendicazione 13, comprendente un corpo tubolare, avente un asse di estensione longitudinale (A), includente una sezione centrale al cui interno è definita una camera (31), alloggiante un blocco elettrochimico (41), destinato ad essere riempito di acqua di mare, operante da fluido elettrolitico; in cui detta sezione centrale definisce un primo serbatoio (32a) ed un secondo serbatoio (32b), destinati a contenere rispettivamente fluido elettrolitico caldo e fluido elettrolitico freddo; ed in cui il primo ingresso di fluido (5a) della valvola termostatica (2) è fluidicamente accoppiato a detto primo serbatoio (32a); il secondo ingresso di fluido (5b) della valvola termostatica (2) è fluidicamente accoppiato al secondo serbatoio (32b); e l’uscita (5c) della valvola termostatica (2) è fluidicamente accoppiata ad un ingresso di fluido di detto blocco elettrochimico (30').
  15. 15. Veicolo secondo la rivendicazione 13 o 14, costituito da un siluro e comprendente un sistema di propulsione elettrico (42); in cui la sorgente di alimentazione elettrica (40) è configurata per fornire alimentazione elettrica a detto sistema di propulsione elettrico (42).
  16. 16. Metodo di controllo in ambiente marino di una valvola termostatica (2) accoppiata ad una sorgente di alimentazione elettrica (40) di tipo elettrochimico, la valvola termostatica (2) essendo dotata di: un corpo valvola (4); un primo ingresso di fluido (5a) atto a ricevere un fluido elettrolitico ad una prima temperatura; un secondo ingresso di fluido (5b) atto a ricevere un fluido elettrolitico ad una seconda temperatura, inferiore della prima; un’uscita (5c) atta a fornire un fluido elettrolitico miscelato, risultato della miscelazione dei fluidi elettrolitici alla prima ed alla seconda temperatura; ed un elemento di regolazione (6), controllabile per regolare detta miscelazione, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di: ricevere un segnale di temperatura di riferimento (Tref), variabile nel tempo, ed un segnale di misura di temperatura (Tout) associato alla temperatura del fluido elettrolitico miscelato all’uscita (5c) di detta valvola termostatica (2); ed eseguire un algoritmo di controllo implementante una logica Fuzzy, per generare un segnale di comando (Sc) per detto elemento di regolazione (6), in funzione del segnale di temperatura di riferimento (Tref), in modo tale da ridurre un errore tra il segnale di misura di temperatura (Tout) ed il segnale di temperatura di riferimento (Tref).
  17. 17. Metodo secondo la rivendicazione 16, comprendente le fasi di: generare un segnale di errore (e) in funzione della differenza tra il segnale di misura di temperatura (Tout) ed il segnale di temperatura di riferimento (Tref); e generare un segnale di derivata di errore (D(e)) in funzione di detto segnale di errore (e); in cui detta fase di eseguire un algoritmo di controllo comprende la fase di elaborare congiuntamente detti segnale di errore (e) e segnale di derivata di errore (D(e)) per determinare detto segnale di comando (Sc).
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