Controlli Automatici LA - Automazione LA... · presentazione e discussione di un progetto...

Controlli Automatici LA Introduzione al corso

Prof. Carlo Rossi DEIS - Università di Bologna

Tel. 051-2093020 E-mail: [email protected]

http://www-lar.deis.unibo.it/~crossi

Prof. Carlo Rossi – Controlli Automatici LA Introduzione al corso 2

Introduzione ai Corsi di Controlli Automatici LA e LB Obiettivo complessivo dei due corsi

  fornire allo studente gli strumenti concettuali e formali per il progetto "consapevole" di semplici Sistemi di Controllo Automatico

Organizzazione dei due corsi   si tratta di due corsi fortemente integrati organizzati in

successione   approccio tipico delle discipline ingegneristiche

  il modulo LA predispone strumenti di "analisi" specifici   definizioni, strumenti matematici utili, comprensione dei problemi,

studio delle proprietà, individuazione dei "razionali" di soluzione   il modulo LB fornisce i metodi di "sintesi"

  traduce in algoritmi e metodi formali di progetto i "razionali" appresi in LA

  si svolgeranno prima le lezioni di LA, poi le lezioni di LB   utilizzando tutte le ore a disposizione di entrambi i corsi


Introduzione al Corso di Controlli Automatici Collocazione del corso nel percorso formativo

Controlli Automatici LA e LB

analisi, geometria, mecc. razionale

(strumenti matematici) fisica, elettrotecnica

(leggi e modelli) informatica

(strumenti informatici)

Sistemi di Controllo Digitale Tecnologie dei sistemi di controllo Robotica Industriale Laboratorio di Sistemi di Automazione Laboratorio di Modellistica e Simulazione

Azionamenti Elettrici Macchine Automatiche

Elettronica


Materiale didattico   P. Boltzern, R. Scattolini, N. Schiavoni "Fondamenti di

Controlli Automatici", II edizione, Mc Graw-Hill   G. Marro "Controlli Automatici", V edizione, Zanichelli   lucidi in rete disponibili sul sito del docente in anticipo (si

spera) rispetto allo svolgimento dell'argomento   lucidi delle lezioni a colori (pdf)   lucidi delle lezioni a colori tre per foglio (pdf)   set di lucidi commentati per molti argomenti di LB (pdf)   set di lucidi con esercizi svolti (ppt)   i set di lucidi contrassegnati con un * sono quelli dell'anno

precedente   non stamparli per evitare di doverlo rifare con la versione

aggiornata   il lucidi contrassegnati sul titolo con il simbolo non vengono

presentati a lezione   sono per il libero approfondimento da parte dello studente

  Software specifico per il corso


Organizzazione delle lezioni   i due corsi LA e LB sono logicamente in serie

  come già detto, verranno svolti prima tutti gli argomenti di LA (circa fino all'ultima settimana di ottobre) e poi tutti quelli di LB, utilizzando l'intero monte ore dei due corsi

  le lezioni e le esercitazioni si svolgeranno utilizzando le ore indipendentemente da quanto stabilito nel calendario per L e E. Si utilizzeranno anche le ore Q

  Orari delle lezioni: concordare l'ora di inizio tra :00 e :15   Mercoledì, giovedì e venerdì non viene fatto l'intervallo

  durata effettiva 1 ora e mezzo   Il lunedì ed il martedì

  1 ora + 15’ + intervallo 15' + 1 ora esercitazione/discussione   esercitazione dopo le prime due settimane


Modalità di esame Controlli Automatici LA

  E' prevista solo una prova scritta costituita da:   esercizi sulle risposte al gradino, sul tracciamento dei diagrammi

di Bode, funzioni di sensitività e luogo delle radici;   domande a risposta multipla e libera su argomenti teorici del

corso   non essendo prevista una prova orale il voto della prova

scritta è registrabile direttamente   al termine dello svolgimento degli argomenti relativi al

modulo LA (presumibilmente nell'ultima settimana di ottobre), verrà fissata una prova di esame preliminare, il cui voto è registrabile a partire da dicembre 2006


Modalità di esame Controlli Automatici LB

  L'esame consiste, di norma, di due prove, svolte consecutivamente nella stessa giornata   Prova scritta preliminare

  domande a risposta multipla e esercizio   il docente potrebbe anche, in particolari situazioni, decidere di non

svolgere lo scritto preliminare e passare direttamente all'orale   Prova orale

  presentazione e discussione di un progetto sviluppato con strumenti di CAD Matlab-Simulink su uno dei temi proposti durante il corso (breve relazione scritta + files Matlab-Simulink da discutere con il docente)

  Approfondimenti teorici sugli argomenti della prova scritta e/o, più in generale, del corso

  il docente può condizionare l'accesso alla prova orale se lo studente non supera una soglia minima nel punteggio relativo alle domande a risposta multipla della prova scritta preliminare


Modalità di esame Esame congiunto LA-LB

  E' possibile avvalersi della possibilità di svolgere l'esame congiuntamente per i due moduli   Le modalità di esame sono quelle del modulo LB

  scritto preliminare   lo stesso di LB

  presentazione e discussione del progetto   lo stesso di LB

  approfondimenti teorici sugli argomenti della prova scritta e/o, più in generale, del corso   estesi, in questo caso, al programma di entrambi i moduli

  lo studente che intende avvalersi di questa modalità di esame deve comunicarlo al docente prima di iniziare la prova orale

  il voto conseguito verrà registrato per entrambi i moduli


Modalità di esame Validità Voto

  I voti conseguiti nel corso dell'A.A. saranno registrabili fino a settembre 2010

  Le registrazioni avverranno, di norma, in occasione degli orali LB oppure in determinate giornate specificate dal docente nella pagina WEB

  Controlli Automatici LA   Lo studente che si presenta ad un appello e consegna il compito,

perde automaticamente ogni eventuale voto positivo conseguito in appelli precedenti

  Controlli Automatici LB   Lo studente che sostiene l'orale perde automaticamente ogni

eventuale voto positivo conseguito in appelli precedenti


Modalità di esame Iscrizione Esami

  Iscrizione obbligatoria su Uniwex: https://uniwex.unibo.it   Gli studenti che risultano iscritti alla lista elettronica nel momento

della chiusura della stessa e che non si presentano il giorno della prova non potranno sostenere l'appello successivo

  Oltre a quelle indicate nel capoverso precedente, non sono previste ulteriori restrizioni sul numero di appelli sostenibili nell'anno accademico


Introduzione ai Corsi di Controlli Automatici 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   cucire   …….


Situazione attuale e prospettive di sviluppo Sofisticati sistemi di controllo sono presenti in tutti i

sistemi militari, industriali, civili   applicazioni in settori ingegneristici industriali

  settore manifatturiero   linee di assemblaggio automobili, elettrodomestici, …   robot e macchine per la lavorazione ed il confezionamento

  settore chimico   petrolchimico, materie plastiche, vernici, solventi, detersivi,…   cementifici, …..

  settore energetico   centrali elettriche, sistemi di distribuzione energia,

  settore trasporti ed aeronautico   veicoli spaziali ed aerei, treni e metropolitane, navi

questi impianti funzionano grazie a numerosissimi (centinaia ed anche migliaia) di sistemi di controllo


Situazione attuale e prospettive di sviluppo Sofisticati sistemi di controllo sono presenti in tutti i

sistemi militari, industriali, civili   applicazioni in settori ingegneristici non industriali

  autoveicoli   già 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 consumo

  macchine fotografiche, videocamere, telefoni cellulari   lettori di CD, DVD, periferiche per computer

  elettrodomestici   lavatrici, lavastoviglie, frigoriferi,..

  domotica   controllo remoto delle attività domestiche

  favorito dallo sviluppo dei sistemi di comunicazione


Situazione 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


Cenni 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

po

orologio ad acqua Ktesibios 300 a.c.


Cenni storici Le origini del controllo

  seconda metà del IXX secolo   prime teorie del controllo basate su modelli descritti da equazioni

differenziali (Maxwell 1870, Routh 1880, Liapunov 1890)   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 più ingegneristiche all'ovest   su basi prettamente matematiche all'est

  pietre miliari nello sviluppo dei Controlli Automatici   amplificatore in retroazione negativa (Black, 1927)   sviluppi teorici sulla stabilità (Nyquist 1930, Bode 1940)   metodi nello spazio degli stati (Kalman 1960, Basile e Marro 1970)   controllo di sistemi stocastici (Astrom 1970)   microprocessore e DSP (Intel 1970, Texas Instruments 1980)   controllo di sistemi nonlineari (Isidori 1985)   controllo di sistemi ad eventi discreti (a. v. 1990)


Cenni storici I Controlli Automatici divennero una vera e propria disciplina ingegneristica a partire dagli anni 40'

  Impulsi allo sviluppo dei Controlli Automatici   la seconda guerra mondiale

  autopiloti 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


Terminologia ed esempi Terminologia

  Sistema   insieme costituito da più parti (sottosistemi) tra loro interagenti di

cui si vuole indagare il comportamento   astrazione di comodo

  Sistema fisico   insieme complesso costituito da elementi materiali

  circuito elettrico, macchina meccanica, impianto chimico, bacino idrico, 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


Terminologia ed esempi Esempi di sistemi

aereo supersonico Sottosistemi: reattore, ali, flaps,pressurizzazione,...

automobile sportiva Sottosistemi: motore, sospensioni, freni, ...



  Collegamento   interazione del sistema con il resto del mondo

  classificazione dei collegamenti con il mondo esterno: sistema orientato   ingressi

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

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

  uscite   risultati 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.


Terminologia ed esempi 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, ...


Terminologia ed esempi Esempi di orientamento

qual'è l'ingresso ? qual è l'uscita?

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

i(t)

v(t)


Terminologia ed esempi Ingressi di controllo e di disturbo

Riscaldamento dell'aula

irraggiamento solare

potenza termica generata dalla persone

Il valore della temperatura all'istante t (uscita) dipende solo dalla potenza termica (ingresso) immessa in quel momento dai radiatori?

no ! dipende anche da tutto quello che è successo prima. Questo sistema ha "memoria"; diremo che si tratta di un sistema dinamico



  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 osservazione   in termine tecnico

  monitoraggio   Controllo Automatico

  azione di controllo esplicata automaticamente da una macchina


Terminologia ed esempi 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 scopo   per 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 fisica   ad una grandezza fisica possono essere associati infiniti

segnali   riproduce solo i comportamenti e le proprietà che interessano

  di 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


Terminologia ed esempi Rappresentazione a blocchi

modello del

sistema

ingressi di

controllo uscite non controllate

ingressi di disturbo

uscite controllate

rappresentazione tipica usata nei

Controlli Automatici

Nei due corsi di base di Controlli Automatici ci si limiterà a considerare sistemi con un solo ingresso di controllo, un eventuale ingresso di disturbo ed una sola uscita controllata:

•  strumenti matematici di rappresentazione e manipolazione più semplici •  concetti più facilmente comprensibili •  semplificazione valida per moltissimi sistemi di controllo industriali

modello del

sistema

(segnali di) ingresso

(segnali di) uscita



  Tipologie di modello   modello fisico

  in scala, ..   per lo studio del comportamento

  modello comportamentale   descrizione a parole, ..

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

  modello descrittivo   schemi, disegni, ..

  per il progetto   per la costruzione



  Tipologie di modello   modello matematico

  sistemi di equazioni (differenziali)   per la formalizzazione di leggi fisiche   per lo studio al calcolatore del comportamento (simulazione)   per la previsione   per il controllo

  modello neurale   aggregati di informazioni e di regole di elaborazione

  per l'inferenza   per la simulazione   per il controllo



  Tipologie di segnale   segnale fisico

  grandezze 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 stesso

  tipicamente: elettrico, pneumatico, idraulico   segnale astratto

  grandezza concettuale che riproduce (di solito solo in parte) il solo contenuto informativo della grandezza fisica di interesse   variabile o funzione in un sistema di equazioni   contenuto di memoria in un calcolatore elettronico


il sistema da controllare (impianto)

l’attuatore

+ - √, α ∑, > ε

l’algoritmo di controllo

l’unità di controllo il sensore

Terminologia ed esempi Elementi chiave di un sistema di controllo


il sistema da controllare (impianto)

0010110100

l’algoritmo di controllo

Terminologia ed esempi Dal Controllo Manuale al Controllo Automatico

l’unità di controllo il sensore

l’attuatore

Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo



Terminologia ed esempi   elementi di un sistema di controllo

  impianto   sistema (fisico) su cui esercitare il controllo

  sensore   dispositivo per la misura dell'uscita

  attuatore   dispositivo di potenza per imporre valori desiderati all'ingresso

dell'impianto (comandare l'impianto)   controllore

  dispositivo elettronico o sistema di elaborazione (hardware/software) per l'implementazione della strategia di controllo

  nel corso non si considerano i dispositivi veri ma i loro modelli matematici


Introduzione al Controllo Elementi fondamentali per il progetto di

un sistema di controllo   occorre:

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

  definire i segnali corrispondenti alle grandezze fisiche interessate dal controllo

  stendere le specifiche di progetto per il sistema controllato   progettare un algoritmo di controllo basato sul modello del

sistema, sui segnali disponibili e sulle specifiche   gli algoritmi di controllo che lo studente imparerà a progettare

nei vari corsi di Controlli Automatici rappresentano, in realtà, il modello del sistema di controllo (vero) da costruire

  verificarne il comportamento mediante tecniche di simulazione   realizzare il sistema fisico che implementa il controllo

  corso di Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo


grandezze fisiche

ingressi grandezze

fisiche

uscite

sistema

grandezze fisiche

stati


Introduzione al Controllo Concettualizzazione a blocchi

specifiche


Introduzione al Controllo Controllo della temperatura dell'aula

•  Irraggiamento solare •  potenza termica generata dalla persone

Qin Qout T



Qin Qout T

Qin

Qout

+

- aula

T

Schema a blocchi dell'impianto

Orientamento: La quantità di calore Qin erogata dal radiatore è la variabile di controllo La quantità di calore Qout scambiata con l'esterno è la variabile di disturbo La temperatura dell'aula T è la variabile di cui ci interessa garantire l'andamento temporale (variabile di uscita)


Introduzione al Controllo

Schema fisico del sistema di controllo Controllo della temperatura dell'aula

caldaia acqua calda

pompa

T sensore

21.5°

termoregolatore

+ -

220Vac

012Vdc

Qout

elettrovalvola

motore

Qin



  Funzionamento   una caldaia centralizzata (esterna al nostro sistema) produce

acqua calda ad una temperatura adeguata (ad es. 70°).   l'acqua viene convogliata con tubazioni ad un radiatore collocato

nell'aula   il circuito dell'acqua calda è sezionato da una valvola che si apre o

si chiude mediante comando elettrico (elettrovalvola)   l'apertura/chiusura sono proporzionali alla tensione applicata

all'elettrovalvola   elettrovalvola proporzionale

  l'elettrovalvola è comandata da un controllore elettronico, collocato all'interno dell'aula, che apre/chiude l'elettrovalvola sulla base della misura della temperatura dell'aula rilevata da un sensore



  Soluzione sofisticata Schema a blocchi concettuale del sistema di controllo

  La logica di controllo è la seguente   se è freddo (Taula < Tdesiderata ) bisogna far arrivare più

acqua al radiatore e quindi aprire di più l'elettrovalvola   all'elettrovalvola una tensione maggiore

  se è caldo (Taula > Tdesiderata ) bisogna ridurre la quantità di acqua calda al radiatore e quindi aprire di meno l'elettrovalvola   all'elettrovalvola una tensione minore

Attuatore

Valvola acqua radiatore

termoregolatore

Tdes controllore

Impianto

Σ Qin

Qout

+

- Aula

Taula

sensore



  Soluzione più economica Schema a blocchi concettuale del sistema di controllo

  Specifiche meno severe   è accettabile uno scostamento di temperatura (errore) di 1 °C   il costo del controllore va mantenuto al minimo

  Soluzione tecnologica   si utilizza un Termostato (regolatore/sensore con uscita a due

livelli)   si usa una elettrovalvola on/off più semplice ed economica

  completamente aperta o completamente chiusa

Impianto Attuatore termoregolatore

Σ Qin

Qout

+

- Aula

Taula Valvola acqua Termostato

Tdes radiatore


Impianto Attuatore termoregolatore

Introduzione al Controllo

Schema a blocchi del sistema di controllo

Σ Qin

Qout

+

- Aula

Taula Valvola acqua Termostato

Tdes radiatore

Controllo della temperatura dell'aula

Variazione della temperatura desiderata da 18°C a 20°C

20°

18°

on

off

comando valvola

Tdes

Taula

Qin >> Qout


Motivazioni del Controllo Esempio

  Sospensione dell'automobile   perché controllo

  condizioni operative variabili   numero di persone   rettilineo/curva   tipo di tracciato e di asfalto

  specifiche variabili   corsa su pista   rally   guida in città   guida confortevole in autostrada


Motivazioni del Controllo Sospensione tradizionale (senza controllo)

Elementi in gioco Mv = massa del veicolo Mr = Massa della ruota S = Sospensione A = Ammortizzatore

Scopo della sospensione • garantire la tenuta di strada ed il

confort ⇒ h costante • mediante 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

A S

h

Mv


Motivazioni del Controllo Sospensione con controllo (Sospensione attiva)

Mv

Elementi in gioco Mv = massa del veicolo Mr = Massa della ruota S = Sospensione A = Ammortizzatore Se = serbatoio energ. At = attuatore

Scopo della sospensione attiva • garantire la tenuta di strada ed il

confort ⇒ h costante • mediante 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 condizioni Svantaggi • costi

Mr

A S

h

Att Serb.

Azione di controllo


Motivazioni del 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 F1

  il 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 esterna   irraggiamento   salita/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   insieme di relazioni tra le azioni sull'impianto ed il loro effetto


Conclusione Il corso intende fornire allo studente gli elementi concettuali di base per la comprensione della problematica del controllo   sono usati modelli matematici di tipo differenziale per la modellazione

degli impianti e per il progetto dei controllori   lo studente non apprende quindi a progettare un sistema di controllo

reale, ma impara a ricavarne un modello matematico   sono considerati semplici sistemi dinamici lineari caratterizzati da un

solo ingresso di controllo ed una sola uscita controllata   i concetti base sono appresi più facilmente, ma mantengono la loro

valenza concettuale anche per sistemi più complessi   il progetto di sistemi di controllo reali coinvolge competenze

informatiche ed elettroniche specifiche   successivi corsi obbligatori e a scelta nella laurea triennale e nella laurea

specialistica


Riferimenti bibliografici   Per approfondimenti

  [1] Boltzern, Scattolini, Schiavoni "Fondamenti di Controlli Automatici", McGraw-Hill, II edizione

  Capitolo 1   [2] Marro "Controlli Automatici", Zanichelli, V edizione,

  Capitolo 1

Controlli Automatici LA Introduzione al corso

FINE

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