Il controllo della temperatura è un prerequisito essenzialmente per ogni reazione chimica a cui le persone sono interessate. La temperatura influenza la velocità di reazione e spesso la completezza della reazione. Il corpo umano incorpora un sistema di controllo della temperatura biologica per mantenere una gamma ristretta di temperatura corporea. Anche i processi progettati per produrre vari materiali richiedono il controllo della temperatura. L’ingegnere può scegliere tra un termoregolatore analogico e uno digitale.
Alcuni termostati domestici analogici sono costituiti da una spirale di rame. Man mano che la striscia si espande con il calore, la spirale si espande muovendo una leva meccanica. Il forno o il condizionatore d’aria risponde di conseguenza. I controller analogici reagiscono solo all’ambiente attuale.
Il microprocessore in un termoregolatore digitale riceve un input numerico dall’ambiente e lo manipola per consentire un maggiore grado di controllo. Se un sistema si riscalda rapidamente, il sistema analogico reagirà solo quando il controller raggiunge la temperatura desiderata, chiamata setpoint (SP). La fonte di calore può essere disattivata, ma il sistema supererà l’SP perché assorbe energia dalle calde superfici radianti che circondano il sistema. Un termoregolatore digitale calcola la velocità con cui la temperatura sta salendo e attiva la risposta dell’apparecchio prima che venga raggiunto l’SP. Il controller ha utilizzato i dati passati per prevedere e modificare i risultati futuri.
Esistono molti algoritmi o schemi di calcolo che un termoregolatore digitale potrebbe impiegare. Uno dei più comuni è il regolatore proporzionale-integrale-derivato o PID. Utilizza tre calcoli separati per mantenere una temperatura costante.
L’errore (e) è la differenza tra la temperatura effettiva (T) e la temperatura di setpoint (SP). Il calcolo proporzionale trasforma un flusso di input in un processo basato sulla grandezza di E. Un E di 2 richiederebbe un input di energia doppio di quello di un E di 1.
Il controllo proporzionale impedisce al sistema di superare l’SP, ma la risposta potrebbe essere lenta. Il metodo integrale prevede che le tendenze future dei dati dureranno. Nell’esempio sopra, se T aumenta di un E di 2 e poi di un E di 4, il sistema potrebbe anticipare che il prossimo E sarà 8, quindi invece di raddoppiare la risposta, potrebbe triplicare la risposta e non aspettare il prossimo misurazione.
Un controller proporzionale e integrale (PI) può oscillare attorno all’SP, rimbalzando tra troppo caldo e troppo freddo. Un metodo di controllo derivato smorzerà l’oscillazione. Il tasso di variazione di E viene utilizzato nel calcolo.
Il controller PID utilizza una media ponderata dei tre calcoli per determinare quale azione deve essere intrapresa in qualsiasi momento. Questo termoregolatore digitale è il più comune ed efficace, poiché utilizza dati attuali, storici e anticipati. Altri schemi di controllo richiedono informazioni sulla natura del sistema. Tale conoscenza aumenta la capacità del controllore di anticipare la risposta futura del sistema.