Corso di Elementi di Elettronica e Regolazione · – Che marcia mi conviene in salita? – Come...

Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 1

Corso di Corso di

Elementi di Elettronica e RegolazioneElementi di Elettronica e Regolazioneper l’Ingegneria Meccanicaper l’Ingegneria Meccanica

Prof. Stefano Panzieri

Dipartimento di Informatica ed Automazione

Via Vasca Navale 79, Roma

e-mail: [email protected]

WEB: WEB: www.dia.uniroma3.it/www.dia.uniroma3.it/automautom/Regolazione/Regolazione

regolazione.panzieri.itregolazione.panzieri.it


Cosa é l’Automatica

• Descrivere un “sistema” fisico– La mia moto è un “sistema”?

• Capire il suo comportamento– Quanti Km faccio con un litro?– In quanto spazio freno se vado a 60 Km/h?

• Esplorare la sua struttura – Che relazione c’è tra la potenza e la quantità

di miscela aria/benzina fornita dal carburatore?

• Modificare il suo funzionamento– Che marcia mi conviene in salita?– Come faccio a risparmiare la benzina?


Decomposizione Gerarchica di un SistemaUtile per un autoricambi

Simile al modello di esplorazione del Web

Non mette in evidenza il “come” funziona !


Decomposizione Funzionale di un Sistema

Posizioneangolare

Quantitàcombustibile

Coppia

Coppia x n

Forza

Velocità

Aperturavalvola

Esprime quelle relazioni di causa-effetto a noi necessarie per capire il funzionamento del sistema e per poter intervenire su di esso !

Posizione Angolare


Approccio Sistemistico

Σingressi

disturbi

uscite

misure

Ingressi: li possiamo imporre (es.posizione acceleratore, tensione su un motore elettrico, angolo del timone)

Disturbi: agiscono indipendentemente (es. vento, coppia resistente, corrente in mare)

Uscite: ciò che ci interessa (es. velocità, angolo asse del motore, angolo di rotta)

Misure: ciò che possiamo misurare (es. posizione ago del tachimetro, lettura goniometro, lettura bussola)

Parametri: le "costanti" che appaiono nel modello del sistema (es. la massa, gli attriti, l’elasticità)

parametri

Blocchi strutturali: relazioni di causa - effetto


Sistemi Statici e Dinamici

• Sistema Statico– Le uscite dipendono dagli ingressi attuali

• Sistema Dinamico– Le uscite dipendono dagli ingressi passati

u = ingresso y = uscita( )y f u=

u = ingresso y = uscita(1) ( ) (1) ( )( , ,..., , , ,..., ) 0n mg y y y u u u =


Cosa é l’Automatica

• Modellazione– Ottenere una rappresentazione matematica basata

sulla fisica del sistema

• Studio delle soluzioni– Analitiche (in forma chiusa)– Computazionali (simulazioni)

• Esplorazione– Ricerca di relazioni tra struttura e comportamento– Approfondimento del comportamento del sistema

• Modifica, Controllo– Ricerca di metodi per cambiare il comportamento

del sistema

Analisi e Controllo dei Sistemi Dinamici


Sistema di Controllo Automatico• Azione di Controllo (manuale o automatica)

– L’azione necessaria ad ottenere un comportamento predeterminato di un sistema

• Algoritmo di Controllo– La strategia necessarie ad assicurare la migliore

performance di un sistema nel rispetto dei suoi limiti operativi

• Sistema di Controllo Automatico– Strategia + Tecnologia necessarie affinché un

sistema svolga i suoi compiti con ridotto o nullo intervento umano

• Sistema intelligente– Sistema di controllo dotato di capacità decisionale

(ma intelligenza = adattabilità …)


Controllo manuale della guida

Elaborazioneazione da intraprendere

AcquisizioneMisura

Attuazione delcomando

Posizioneangolare

Quantitàcombustibile Coppia

Coppia x nForza

VelocitàApertura


Controllo manuale del livello

•Riempire un secchio di acqua è un’operazione che richiede l’intervento di:

•Un sistema di misura

•Un sistema di attuazione

•Un sistema di controllo

controllore

organo di misura

attuatore


Cotrollo automatico del livello

galleggiantefulcro e levavalvola

Quando l’acqua raggiungeil livello desiderato,il galleggiante, tramite la leva,chiude la valvola

attuatore controllore organo di misura


La controreazione (feedback)

elaborazioneazione

misura e acquisizione

Attuazione delcomando

confrontosistema da controllare

+

-

Velocità di riferimento

Velocità attualeErrore di

velocità

r e

u

y

Negli schemi di controllo visti sino ad ora si evidenzia la presenza di un LOOP


Argomenti del corso di FdAPrimo Modulo

• Sistemi• Lineari costanti tempo

invarianti• Sviluppo di modelli

matematici appropriati• Funzione di

Trasferimento• Risposta Armonica

• Analisi delle proprietà dei Sistemi

• Stabilità• Comportamento a

Regime• Comportamento nei

transitori• Sintesi dei Controllori

• Specifiche nel tempo • Specifiche in frequenza

Secondo Modulo• Sistemi

• Lineari costanti tempo continuo e tempo discreto

• Sviluppo di modelli matematici appropriati

• Spazio di Stato• Funzione di trasferimento

discreta• Analisi delle proprietà dei

Sistemi• Proprietà strutturali dei

sistemi tempo continuo• Ruolo del tempo di

campionamento• Sintesi dei Controllori

• Assegnazione delle dinamiche

• Sistemi di controllo a segnali campionati


Storia del controllo a Controreazione• Sviluppi fondamentali della storia umana che hanno

condizionato lo studio e lo sviluppo dei sistemi di controllo– Misura accurata del tempo (Greci e Arabi) 300AC!1258DC

(caduta di Bagdad in mano Mongola)• Orologi ad acqua• Regolatori del livello dell’olio nelle lampade

– La rivoluzione industriale (Inghilterra dal 1745 ma anche nel 1600)

• Mulini a vento e ad acqua• Temperatura delle fornaci• Motore a vapore

– Le comunicazioni di massa e le guerre mondiali (1910!1945)

• Telecomunicazioni (1920-30 Bell Telephone Laboratories)• Controllo delle navi (giroscopio 1910, PID 1922)• Sistemi di puntamento d’arma automatici (servomeccanismi e Radar)

– L’era del computer e dell’esplorazione spaziale• Sputnik 1957• Microprocessori


Orologio ad Acqua di Ktesibios (270 AC) • Alessandria:terzo

secolo prima di Cristo (270 AC)

• La controreazione è usata per mantenere costante il livello dell’acqua, e quindi la pressione, nel primo serbatoio

• Klepsydra (ladra d’acqua)


Orologio ad Acqua di Ktesibios (270 AC)


Regolatore di Watt• Governor (1788)

• L'applicazione di questo congegno alla macchina a vaporeriveste una grande importanza nella storia della tecnica perchèesso fu il capostipite di una numerosissima famiglia di apparecchi automatici di controllo, tutti indispensabili per il corretto funzionamento degli impianti. Questo "governor" faceva accelerare la macchina se rallentava per il troppo carico o la faceva rallentare dopo una accelerazione dovuta a diminuzione di carico


Regolatore di Watt

Valvola

Motoreorgani di trasmissione

asse

leveraggio

M M

ω

più veloce gira l'asse,

più le masse sono spinte dalla forza centrifuga,

più la valvola si chiuderà,

meno vapore alimenterà il motore,

meno velocemente girerà l’asse!

Come scegliere i parametri (M, rapp. di trasm.)?Occorre un modello dinamico matematico.


Controllo di temperatura

alimentazione

Sensore ditemperatura(termostato)

Attuatore(relais)

Riscaldatore + acqua(processo)

T desiderata

Quando l’acqua si fredda,la barretta si accorcia echiude l’interruttore

Notare che la temperaturaoscilla intorno a Tdes


Controllo di Posizione

• Finché i due angoli sono diversi, – l'amplificatore ha tensione di ingresso ≠ 0,– il motore ruota,– e la differenza tra gli angoli si riduce.

• Quando gli angoli sono uguali – L’errore è nullo– Il motore si ferma

motoreamplificatorepote

nzi

om

etro

ϑd

ϑcarico


Rappresentazione con blocchi strutturaliControllo di posizione dell'asse di un motore

+E

-E +E

-E

V=costRid

ϕϕ iu

potenz. amplificatore motore +riduttore

potenziometro

+

-

ϕi ϕ

u

V alim.V eccit.Disturbi -->


Piattaforma motorizzata

trasduttoredi posizione

amplificatoridi potenza

trasduttoredi velocità

i

ϕ

i

vel

Motori

Comando di sterzo

Comandodi velocità

Angolomisurato

Velocitàmisurata


Controllo di Robot mobile

Xfin,Yfin

XoYo

Il task La traiettoriadesiderata

t

velocità

sterzo

Struttura cinematicadel veicolo

Controllore Controllore

v (t)d ϕ (t)d

Comando di sterzo

Angolomisurato

Comandodi velocità

Velocitàmisurata

pianificazione


Fabbrica Automatica

Robot

MovimentazioneProcessocontinuo

Magazzini

Macchinea CN

1° LivelloComando delle singole macchine PLC)

2° LivelloCoordinamento delle

macchine

3° LivelloGestione della produzione(ottimizzazione)

4° LivelloPianif. globale

Rete di campo


Sistemi ComplessiI sistemi a larga scala presentano spesso una struttura decomponibile in moduli (sottosistemi) interagenti fra loro

Organizzazione spesso di tipo gerarchico a livelli

coordinamento

un. locale

ctrl 1 ctrl N

subsyst 1 subsyst N

un. locale

Interazioni

comandi

+rapidità- intelligenza

+intelligenza- rapidità

informazionictrl 2

PLC


Definizioni• Processo

• Insieme coordinato di trasformazioni e trasmissione di energia, materiali, informazioni, finalizzato ad un obiettivo

• Processo industriale• Continui (siderurgia, carta, vetro, petroliferi, chimici,

produzione e distribuzione dell’energia elettrica)• A lotti (stampaggio, ind. elettronica, mecanica,

tessile)

• Altri Processi• Biologici, medici, ecologici, organizzativi, gestionali,

economici

• Controllo di processo• l'uscita è una grandezza fisica, variabile con

continuità (temperatura pressione, pH).

• Servomeccanismo• l'uscita è una grandezza meccanica (posizione,

velocità)


Definizioni

• Regolazione• l'uscita è mantenuta

costante intorno ad un valore predefinito

• Asservimento• l'uscita segue l'ingresso il

più possibile (inseguimento di traiettoria)

Nero: riferimentoRosso: uscita


Obiettivi nella sintesi

• L'uscita segue gli andamenti desiderati, con date tolleranze in condizioni ideali.

• La risposta è veloce.• Rumori di diverse provenienze sono filtrati.• Incertezze sui parametri non influenzano l'uscita.• Disturbi esterni non influenzano l'uscita.

Ingressi e disturbi limitati producono effetti limitati

STABILITA'

Inoltre

Per ogni punto: Specifiche di Progetto1. Precisione a regime (caratt. statiche)2. Prontezza di risposta (Risposta armonica: banda passante,

risposta al gradino,tempo di salita)3. Precisione dinamica (Sovraelongazione della risposta al

gradino,costanza della risposta armonica )


Definizioni

• Controllo a catena aperta

• l’azione di controllo è indipendente dall’uscita

• Controllo a catena chiusa

• l’azione di controllo dipende dall’uscita

Amplificatore

pick-up

Motore CC

tachimetro

Σ+

-

Amplificatore

pick-up

Motore CC

Corso di Elementi di Elettronica e Regolazione · – Che marcia mi conviene in salita? – Come...

Documents

Transcript of Corso di Elementi di Elettronica e Regolazione · – Che marcia mi conviene in salita? – Come...