Nuovo sistema di riscaldamento per dispositivi di erogazione caffè in capsule = New heating system for single serve capsule coffee machines

L’esigenza sempre crescente di migliorare l’efficienza energetica e le prestazioni dei sistemi conservando la qualità del prodotto finale, rende indispensabile l’innovazione continua in ambito industriale. La presente tesi è stata svolta presso la società Luigi Lavazza SpA e si è focalizzata sulle macchine per erogazione del caffè di uso domestico. In particolare, si è valutata l’introduzione di un sistema di riscaldamento con un minor consumo energetico ed un più rapido raggiungimento della temperatura desiderata rispetto a quello attualmente in uso. Per una buona funzionalità del sistema è richiesta l’implementazione di un sistema di controllo automatico che consenta di regolare il funzionamento per ottenere un prodotto finale di ottima qualità. Il sistema di controllo più utilizzato in ambito industriale è quello di tipo proporzionale, integrale e derivativo (PID). I parametri del PID vengono generalmente ottenuti con una procedura manuale, onerosa in termini di tempi e costi e che rende difficoltoso il raggiungimento dell’ottimo. Per rendere più efficiente il processo di taratura, è possibile sviluppare un modello matematico del sistema controllato che permetta una prima valutazione del settaggio dei parametri mediante simulazioni. Per la modellazione del sistema dinamico reale sono state valutate diverse strategie: white box, grey box e black box. La modellistica white box sfrutta la conoscenza dei principi fisici e delle relative equazioni matematiche che regolano il funzionamento dei singoli componenti. La modellistica black box identifica il modello matematico a partire dai dati osservati. La modellistica grey box combina le equazioni matematiche con i dati osservati. Il modello matematico è stato costruito con l’ausilio dell’applicativo System Identification Toolbox di Matlab che consente di trovare relazioni tra le variabili misurate per creare funzioni di trasferimento, stimare la dinamica di sistemi non lineari e determinare i parametri di un modello definito dall’utente sulla base delle equazioni. I modelli sono stati validati con il sistema in anello aperto, confrontando i risultati numerici con quelli sperimentali, in diverse condizioni di funzionamento. Successivamente si è sviluppato il sistema di controllo automatico in ambiente Simulink e sono stati identificati i parametri del sistema di controllo PID, utilizzando i soli modelli numerici. Questo ha consentito di limitare il numero e il costo dei test manuali, con un notevole risparmio di tempo. Una volta inseriti i parametri PID così ottenuti nel sistema reale macchina da caffè, sono state effettuate prove sperimentali che hanno verificato l’aderenza del modello numerico con il sistema reale. Successivamente sono stati eseguiti anche test funzionali, con lo scopo di verificare la qualità dei prodotti erogati, controllando la quantità della bevanda, la temperatura finale e i tempi di erogazione. Entrambe le batterie di test hanno dato riscontro positivo.