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CONTROLLI AUTOMATICIIngegneria della Gestione Industriale

CONTROLLI AUTOMATICI CONTROLLI AUTOMATICI INTRODUZIONEINTRODUZIONE

Luigi Biagiotti Introduzione -- 2Controlli Automatici

Corso di Controlli AutomaticiCorso di Controlli Automatici

• Testi consigliati:• Lucidi delle lezioni (http://www-lar.deis.unibo.it/~lbiagiotti)

• G. Marro “Controlli Automatici” – Zanichelli ed.• P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, “Fondamenti di Controlli Automatici”,

Mc Graw-Hill ed.• G. Marro, “TFI: insegnare e apprendere i controlli automatici di base con

Matlab”


Controlli Automatici Controlli Automatici –– Argomenti (I)Argomenti (I)

• Introduzione al problema del controllo• Sistemi fisici e modelli• Strumenti matematici per l'analisi di sistemi dinamici lineari

• equazioni differenziali• trasformata di Laplace• funzione di risposta armonica

• Analisi della risposta temporale di sistemi dinamici elementari• sistemi del 1° e 2° ordine

• Analisi della risposta frequenziale di sistemi dinamici elementari• Diagrammi di Bode

• Introduzione al controllo automatico• controllo in catena aperta• controllo in retroazione

• Analisi dei sistemi in retroazione• luogo delle radici


Controlli Automatici Controlli Automatici –– Argomenti (II)Argomenti (II)

• Introduzione al progetto di sistemi di controllo• definizione delle specifiche• Progetto mediante luogo delle radici

• Regolatori standard • reti correttrici, • PI, PID


• Significato del termine Controllo• Azione su una macchina, un apparato, un impianto, un

processo per modificarne (migliorarne) il comportamento

• Più antico sistema di controllo:

Uomo

• Alcuni esempi di attività umane dove il controllo è elemento indispensabile

• camminare• suonare il pianoforte • guidare l'automobile• …….

IntroduzioneIntroduzione



Esempi di azioni di controllo eseguite dall'uomo• Controllo (manuale) di temperatura



Esempi di azioni di controllo eseguite dall'uomo• Controllo (manuale) di livello

sistema



Esempi di azioni di controllo eseguite dall'uomo• Controllo (manuale) di velocità


Controllo in catena apertaControllo in catena aperta(anello aperto, azione diretta)(anello aperto, azione diretta)

azione basata su un modello ed azione basata su un modello ed informazioni inizialiinformazioni iniziali


• Considerazioni riassuntive


sistema Controlli in retroazioneControlli in retroazione(catena chiusa, anello chiuso)(catena chiusa, anello chiuso)

azione basata su azione basata su un modello eun modello e

su informazioni su informazioni continuecontinue

dal sistemadal sistema


• Considerazioni riassuntive


il sistema da controllare (impianto)

l’attuatore

+ - √, α∑, > ε

l’algoritmo di controllo

l’unità di controllo il sensore


• Elementi chiave di un sistema di controllo


il sistema da controllare (impianto)

0010110100

l’algoritmo di controllo


• Dal Controllo Manuale al Controllo Automatico

l’unità di controllo

il sensorel’attuatore

Ingegneria eTecnologie dei Sistemi di Controllo

ControlliAutomatici

specificaspecifica

Controllo della temperaturaControllo della temperatura

Analisi

Sintesi


Settori applicativi dell'Ingegneria del ControlloSettori applicativi dell'Ingegneria del Controllo

• Settori dell'Ingegneria• Impianti chimici, macchine ed impianti meccanici, robotica, industria

aeronautica, spaziale…..• sistemi per la produzione, il trasporto e la gestione della energia, per

il controllo del traffico (aereo, stradale, ...) • apparati elettronici, elettromeccanici e di telecomunicazione• sistemi di trasporto (automobile, treni), elettrodomestici, domotica,

…...

• Altri settori• economia e finanza• sistemi sociali e politici• ambiente e territorio

• medicina e biologia, …..


Cenni storiciCenni storici

• Le origini del controllo• l'uomo ha sempre tentato di costruire sistemi il cui comportamento

fosse migliorato da un sistema di controllo• l'approccio è stato empirico ed inventivo fino alla metà del IXX secolo

tem

poorologio ad acquaKtesibios 300 a.c.



• Esempio famoso: motore a vapore di J. Watt (1798 ca), con controllo automatico

Controllo automatico della velocità



Le origini del controllo• nella seconda metà del XIX secolo J. C. Maxwell e I. A.

Vyshnegradskii formularono indipendentemente le prime teorie del controllo basate su modelli descritti da equazioni differenziali

• nella prima metà del XX secolo gli sviluppi della teoria del controllo proseguirono in modo differenziato nei paesi occidentali ed in Unione Sovietica

a partire da motivazioni ingegneristiche all'ovestsu basi prettamente matematiche all'est

• pietra miliare dello sviluppo ingegneristico della moderna teoria del controllo è l'amplificatore in retroazione negativa (Black, 1927)

sviluppi teorici sullo studio della stabilità di Nyquist 1932, Bode 1940



I Controlli Automatici divennero una vera e propria disciplina ingegneristica a partire dagli anni 40' • Impulsi allo sviluppo dei Controlli Automatici

la seconda guerra mondialeautopiloti per aerei, sistemi di puntamento per cannoni, per radar,…

lo sviluppo dei calcolatori elettronici (primi anni 50')rese applicabili molte teorie già sviluppate sul piano formale

la conquista dello spazio (anni 60' e 70')fu possibile per la disponibilità di sofisticati sistemi di controllo

lo sviluppo dei microprocessori (seconda metà degli anni 70') e dei DSP (seconda metà degli anni 80')

diffusione generalizzata dei sistemi di Automazione Industriale introduzione di sistemi di controllo in una moltitudine di apparati anche al di fuori delle applicazioni industriali


Situazione attuale e prospettive di sviluppoSituazione attuale e prospettive di sviluppo

Sofisticati sistemi di controllo sono presenti in tutti i sistemi militari, industriali, civili• applicazioni in settori ingegneristici non industriali

autoveicoligià oggi ci sono decine di sistemi di controllo:

servosterzo, servofreno, ABS, controllo di assetto, controllo dell'iniezione, fasatura variabile, …..

In prospettiva si arriverà a centinaia di sistemi di controllo

elettronica di consumomacchine fotografiche, videocamere, telefoni cellularilettori di CD, DVD, periferiche per computer

elettrodomesticilavatrici, lavastoviglie, frigoriferi,..

domoticacontrollo remoto delle attività domestiche (favorito dallo sviluppo dei sistemi di comunicazione)


Situazione attuale e prospettive di sviluppoSituazione attuale e prospettive di sviluppo

• Aree di sviluppo in settori non ingegneristici• apparecchiature biomediche• sistemi biologici• ambiente e territorio• sistemi socio-economici• mercati finanziari• marketing


TerminologiaTerminologia

• Sistema• insieme costituito da più parti (sottosistemi) tra loro

interagenti di cui si vuole indagare il comportamentoastrazione di comodo

• Sistema fisico• insieme complesso costituito da elementi materiali

circuito elettrico, macchina meccanica, impianto chimico, bacinoidrico, azienda, corpo umano, ….

• Sistema astratto• insieme complesso costituito da elementi immateriali

sistema giuridico, sistema universitario, sistema sociale, ….

• Fenomeno (fisico)• manifestazione delle interazioni tra le parti di un sistema



• Esempi di sistemi

I sistemi reali sono in generale collegati I sistemi reali sono in generale collegati con il resto del mondocon il resto del mondo

aereo supersonicoSottosistemi:reattore, ali, flaps,pressurizzazione,...

automobile sportivaSottosistemi:motore, sospensioni, freni, ...

I sottosistemi sono a loro volta sistemi: dipende dal livello diI sottosistemi sono a loro volta sistemi: dipende dal livello didettaglio della analisi svoltadettaglio della analisi svolta



• Collegamento • interazione del sistema con il resto del mondo

• Classificazione dei collegamenti con il mondo esterno• ingressi

azioni che il resto del mondo effettua sul sistema. In generale sono in grado di modificarne il comportamento

ingressi di controllo (su cui agiamo) ingressi di disturbo (su cui non possiamo o non vogliamo agire)

• usciterisultati esterni (effetti) delle azioni e dell'evoluzione temporale del sistema dovuta a condizioni iniziali

In molti casi l'attribuzione ad un collegamento della natura di ingresso o di uscita è arbitrariamente fatta dal progettista per sua convenienza o scelta.



• Esempi di collegamento

Sono collegati ?• gravità, • interazione con l'aria,..

• gravità• interazione con l'aria• interazione con la strada,..

ingressi

uscite• posizione (x,y,z) • velocità (x,y,z)• temperatura allo scarico,• sforzo sulle ali, ...

• posizione • velocità• temperatura dell'acqua,• giri del motore, ...



• Esempi di orientamento

qual'è l'ingresso ?qual è l'uscita?

Dipende dalla scelta del progettista ciascuna delle due Dipende dalla scelta del progettista ciascuna delle due variabili i(t) e v(t) può assumere entrambi i ruolivariabili i(t) e v(t) può assumere entrambi i ruoli

La coppia erogata dal motore è un ingresso o una uscita ?Per l'intero veicolo è un ingressoper il sottosistema motore è una uscita

In un sistema complesso alcune uscite di sottosistemiIn un sistema complesso alcune uscite di sottosistemisono ingressi di altri sottosistemi.sono ingressi di altri sottosistemi.

i(t)

v(t)



• Ingressi di controllo e di disturboEs. riscaldamento dell'aula

Ingresso di controlloIngresso di controllopotenza termica immessa dai radiatori

Ingressi di disturboIngressi di disturbotemperatura esterna

UscitaUscitatemperatura della stanza

Irraggiamento solare

potenza termica generata dalla persone



• Sistemi autonomi• non possiedono ingressi• la loro evoluzione temporale non dipende dal resto del mondo• non si possono controllare

• Controllo• azione su un sistema per imporgli comportamenti desiderati

• Attenzione!• Talora in italiano il termine Controllo è usato per indicare una attività

di semplice osservazionein termine tecnico: monitoraggio

• Controllo Automatico• azione di controllo esplicata automaticamente da una macchina


EsempioEsempio

• Controllo di temperatura dell'aula• misuriamo la temperatura dell'aula e la confrontiamo con le

specifiche (ad es. 20°C di giorno e 17°C di notte)• agiamo sulla potenza termica immessa dai radiatori in modo che la

temperatura si porti al più presto (altra specifica) nell'intorno del valore di specifica e vi si mantenga indefinitamente, indipendentemente dai disturbi



• Modello• rappresentazione (fisica o astratta) approssimata di un sistema

costruita per uno scopoper un sistema possono essere costruiti infiniti modelli

• riproduce solo i comportamenti e le proprietà che interessano

• Segnale• grandezza fisica o astratta associata per comodità di manipolazione

ad una grandezza fisicaad una grandezza fisica possono essere associati infiniti segnali

• riproduce solo i comportamenti e le proprietà che interessanodi solito non ha associata una potenza

tensione senza corrente, velocità senza forza,...

• Modelli e segnali sostituiscono i corrispondenti sistemi e grandezze fisiche nelle manipolazioni formali



• Tipologie di modello• fisico

in scala, ..per lo studio del comportamento

• comportamentaledescrizione a parole, ..

per la comprensione del sistemaper il progetto di semplici sistemi di controllo

• descrittivoschemi, disegni, ..

per il progettoper la costruzione



• Tipologie di modello

• matematicosistemi di equazioni (differenziali)

per la formalizzazione di leggi fisicheper lo studio al calcolatore del comportamento (simulazione)per la previsioneper il controllo

• neuraleaggregati di informazioni e di regole di elaborazione

per l'inferenzaper la simulazioneper il controllo



• Tipologie di segnale

• fisicograndezze fisiche il cui comportamento riproduce (in parte) quello della grandezza di interesse ma la cui manipolazione risulta possibile o più agevole con la tecnologia disponibile

è opportuno che la natura fisica dei segnali utilizzati in un sistema di controllo sia congruente con quella del dispositivo utilizzato per implementare il controllo stessotipicamente: elettrico, pneumatico, idraulico

• astrattograndezza concettuale che riproduce (in parte) il solo contenutoinformativo della grandezza fisica di interesse

variabile o funzione in un sistema di equazionicontenuto di memoria in un calcolatore elettronico


Introduzione al ControlloIntroduzione al Controllo

Elementi fondamentali per il progetto di un sistema di controllo. Occorre:

1. costruire un modello del sistema (in generale un impianto o una macchina

2. definire i segnali corrispondenti alle grandezze fisiche interessate dal controllo

3. stendere le specifiche di progetto per il sistema controllato4. progettare un algoritmo di controllo basato sul modello del sistema,

sui segnali disponibili e sulle specifichegli algoritmi di controllo che si imparano a progettare nei vari corsi di Controlli Automatici sono, in realtà, il modello del sistema di controllo (vero) da costruire

5. verificarne il comportamento mediante tecniche di simulazione6. realizzare il sistema fisico che implementa il controllo

corso di Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo


grandezzefisiche

ingressigrandezze

fisiche

uscite

sistema

grandezzefisiche

stati

segnalesegnalemodellomodello

algoritmoalgoritmo

segnalesegnale

Controlli Automatici


• Concettualizzazione a blocchi

specifiche



•Schema a blocchi di un sistema di controllo

interfaccia impiantoregolatoreSpecifica

sensoreinterfaccia

attuatore

Calcolatore

HwSw

Segnaliastratti

Segnalifisici

Grandezzefisiche

Sistema di controllo



•Schema tecnologico di un sistema di controllo

Sensori

N

Unità di controllo

Attuatori

AD1001

Impianto

1A

1001D



• Progetto di un sistema di controllo• definizione delle specifiche

obiettivi da conseguirequalità del controllocosto.....

• Modellazione del sistemascelta del dettagliodefinizione degli ingressidefinizione delle uscitetipologia di rappresentazione"costruzione" del modellovalidazione mediante simulazione


• Progetto di un sistema di controllo• analisi del sistema

studio delle proprietàverifica di fattibilità delle specifiche di controllo

• sintesi della legge di controllobasata sul modelloverifica delle proprietà del sistema controllatovalutazione della complessità e stima del carico computazionale

• simulazione del sistema controllatocondizioni idealicondizioni realistiche

modello impianto più complessoquantizzazione delle grandezze, ritardi di calcolo, disturbi di misura



• Progetto di un sistema di controllo• introduzione degli elementi tecnologici

sensori, attuatoricatena di acquisizione ed attuazionedispositivo di elaborazione

• sperimentazioneprototipazione rapida

verifica delle specifichestima del costo

costruzione di un prototipo definitivoingegnerizzazioneproduzione in serie



Motivazioni del ControlloMotivazioni del Controllo

Controllare significa agire sull'impianto per modificarne il comportamento

• Esempio: Controllo della temperatura di una stanza• perché controllo

condizioni operative variabilitemperatura esternairraggiamento solarenumero di persone

specifiche variabilitemperatura interna desiderata che varia in funzione della presenza in casa



• Controllo della temperatura di una stanza 1• Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti

delle condizioni operative variabilispessore delle paretirivestimento delle paretiesposizione delle stanzeforma e dimensioni delle finestre

• Politica di gestioneabbigliamento dei proprietarichiusura dei vetri d'invernochiusura delle persiane durante il giorno d'estateapertura delle finestre durante la notte

• Ottimizzazione dell'impianto• basata su un modello




delle condizioni operative variabilicome prima +predisposizione di camini e stufe

• Politica di gestioneabbigliamento dei proprietarigestione delle finestre d'estate

• Azione di controlloaccensione dei camini e delle stufe d'inverno

immissione di una quantità predefinita di energia

• Controllo in catena aperta• basata su un modello ed una stima delle condizioni

operative




delle condizioni operative variabilicome prima, ma meno curata +predisposizione di impianto di riscaldamento e condizionamento

• Politica di gestioneabbigliamento dei proprietari (meno attento)

• Azione di controlloaccensione dell'impianto e predisposizione della centralina

immissione di una quantità di energia funzione della temperaturainterna ed esterna e delle specifiche

• Controllo in retroazione• basata su un modello, sulla misura dell'obiettivo

(temperatura interna) e delle condizioni operative



• Esempio• Sospensione dell'automobile

perché controllocondizioni operative variabili

numero di personerettilineo/curvatipo di tracciato e di asfalto

specifiche variabilicorsa su pistarallyguida in cittàguida confortevole in autostrada



• Sospensione tradizionale (senza controllo)Elementi in giocoMv = massa del veicoloMr = Massa della ruotaS = SospensioneA = Ammortizzatore

Lo scopo è garantire: - la tenuta di strada ed il confort⇒ h costantemediante la scelta (taratura) di: S ⇒ accumulatore di energia

(forza posizionale)A ⇒ dissipatore di energia

(forza dinamica)Problemi:- specifiche in contrasto- condizioni operative variabili

(passeggeri, tipo di strada, ..)⇒ soluzione di compromesso

valida in condizioni nominali

Mr

AS

h

Mv



• Sospensione con controllo (Sospensione attiva)

Mv

Elementi in giocoMv = massa del veicoloMr = Massa della ruotaS = SospensioneA = AmmortizzatoreSe = serbatoio energ. At = attuatore

Lo scopo è garantire: - la tenuta di strada ed il confort⇒ h costantemediante azione intelligente e continua su:At ⇒ scambiatore di energia

con Serb.Vantaggi:Cambiamento della strategia di azione nelle diverse condizioni⇒ soluzione ottimizzata

valida in tutte le condizioniSvantaggi:costi

Mr

AS

h

AttSerb.

Azione di controllo



• Alcune considerazioni• Gli esempi mostrano che

è indispensabile garantire che il sistema da controllare sia, di per sé, funzionante al meglio anche senza controllo

non si costruisce una Panda per correre in F1il controllo deve principalmente garantire le prestazioni

al variare delle specifiche programmazione giornaliera/settimanale tipo di guida

al variare delle condizioni operative dell'impianto (parametri)numero di persone presenti nella stanza o di passeggeri

al variare degli agenti esterni (disturbi)temperatura esternairraggiamentosalita/discesa, vento, stato dell'asfalto (buche,…)

• punto di partenza per il progetto di un sistema di controllo è la predisposizione di un modello dell'impianto

Ing. Luigi BiagiottiTel. 051 2093034 / 051 2093068

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