Facoltà di Ingegneria dell’Informazione Corso di Studi in...
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Mara Tanelli
Fondamenti di Automatica
Facoltà di Ingegneria dell’InformazioneCorso di Studi in Ingegneria Elettronica;Allievi A-Z
Informazioni generali sul corso;Introduzione ai contenuti del corso.
Usiamo le slides solo per oggi...
Mara Tanelli
Informazioni generali
Mara TanelliDipartimento di Elettronica e Informazione (ufficio al II piano)Tel. 02-2399.3621Email [email protected]
Orario di ricevimento: martedì 10.30-12.30. N.B. è solo l’orario “ufficiale”. In realtà – sia per venire in quell’orario sia per fissare un appuntamento in un altro giorno – mandatemi sempre una mail
Pagina web corso: accessibile dahttp://home.dei.polimi.it/tanelli Didatticao da sito web del DEI (www.dei.polimi.it personale Mara Tanelli)
Mara Tanelli
Orario del corso
Orario lezioni e esercitazioni (effettivo!): •Martedì 14.15-15.45 (no pausa)
2 ore L (aula EL0) •Giovedì 13.15-15.45 (di solito una pausa 15 min)
3 ore L (aula B4.2) •Venerdì 10.30-13.00 (di solito una pausa 15 min)
3 ore E (aula L.26.11)
Composizione del corso (indicativa):60 ore di lezione (in aula),40 ore di esercitazione (in aula),
il tutto corrispondente a 10 CFU.
Esercitazioni svolte (principalmente) dall’Ing. Pierpaolo De Filippi; e-mail: [email protected]
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Modalita' d'esame
Due prove in itinere (FACOLTATIVE), una a metà e una alla fine del corso:
Prima prova (27 aprile 2011): riguarderà la prima parte del corso;Seconda prova (25 giugno 2011): riguarderà la seconda parte del
corso.Per superare l'esame è necessario che la media dei voti conseguito in entrambe le prove sia di almeno 18/30.
1 Appello a luglio: 17/072 Appelli a settembre (dovete sceglierne uno): 07/09 oppure 19/091 Appello a gennaio/febbraio: TBD
Tutte le prove d’esame (comprese le PI) consistono di una prova scritta comprensiva di domande di teoria.
N.B. Per sostenere una qualsiasi prova d’esame è OBBLIGATORIOiscriversi via Poliself!
Mara Tanelli
Materiale didattico
Testo del corso:Bolzern, Scattolini, Schiavoni, Fondamenti di controlli automatici (3a edizione!)McGraw-Hillhttp://www.ateneonline.it/bolzern3e/
Eserciziari eventuali:Bolzern, Schiavoni, Elementi di automatica-esercizi, MassonGuardabassi, Rocco, Esercizi di controlli automatici, Pitagora Editrice
Materiale aggiuntivoLink disponibili alla pagina web del corso
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Prerequisiti
Cose che è importante sapere per seguire il corso:Algebra delle matrici;Numeri complessi;Nozioni di base sulle eq. diff. lineari.
Test di autovalutazione
Mara Tanelli
Cos’e’ l’Automatica?
Una possibile definizione...
Automatica:l’insieme degli strumenti matematici e ingegneristici necessari per la specifica, il progetto e la gestione di sistemi di controllo automatici.
In sintesi, l’Automatica è quindi la disciplina che si occupa dei problemi di controllo.
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Cos’e’ un problema di controllo?
• Si ha un problema di controllo ogni volta che si vuole imporre ad un sistema fisico un comportamento desiderato.
• Piu’ precisamente: ... ogni volta che si vuole imporre a variabili associate ad un sistema fisico un andamento desiderato.
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Cos’e’ un problema di controllo? (2)
• Una definizione molto generale!
• Questo perche’ problemi molto diversi tra loro possono essere affrontati con gli stessi metodi mediante una appropriata formulazione matematica.
Vediamo un esempio.
Mara Tanelli
Esempio: controllo negli autoveicoli
Alcuni problemi di controllo presenti nelle auto (e nelle moto):
Controllo dell’iniezione;Controllo delle emissioni;Servosterzo;Cambio automatico;Controllo della trazione;Controllo della velocita’ (cruise control);Stabilizzazione della dinamica (ESP);Controllo di frenata (ABS)Sospensioni attive;Climatizzazione;
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Cos’hanno in comune questi problemi?
Gli ingredienti di tutti i problemi di controllo elencati prima sono gli stessi:
un sistema fisico dato;una o piu’ variabili da controllare;una o piu’ variabili sulle quali agire per influenzare il sistema (variabili di controllo);una specifica dell’andamento desiderato delle variabili da controllare (insieme dei requisiti da garantire per il sistema controllato).
Mara Tanelli
Elementi distintivi dell’Automatica
• è indipendente dalla tecnologia(“hidden technology”)
• è basata su una descrizione matematicadella realtà (modellistica/identificazione)
• offre metodi generali per il progetto del controllo (basato sumodelli matematici)
• l’implementazione è comunemente basata su tecnologieinformatiche ed elettroniche (microcontrollori installati su sistemi“real-time”, interfacciate con schede elettroniche per acquisizione e trasmissione dei segnali)
L’Automatica quindi consente un approccio comunea problemi di natura molto differente:
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Esempi (1)
Il climatizzatore:Sistema da controllare: il comportamento termico della cabina dell’auto;Variabile da controllare: la temperatura in uno o piu’punti della cabina;Variabile sulla quale agire: il comando di uno o piu’riscaldatori elettrici e ventilatori;L’andamento desiderato della temperatura: quello impostato dai passeggeri (tipicamente costante).
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Esempi (2)
Il servosterzo:Sistema da controllare: la dinamica laterale dell’autoveicolo;Variabile da controllare: angolo di sterzata delle ruote;Variabile sulla quale agire: il comando di un servomeccanismo idraulico;L’andamento desiderato: quello impostato dal pilota girando il volante.
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Esempi (3)
Il cruise control:Sistema da controllare: la dinamica longitudinale dell’autoveicolo;Variabile da controllare: velocita’ dell’auto;Variabile sulla quale agire: acceleratore e freno;L’andamento desiderato: quello impostato dal pilota (anche qui, di solito e’ costante).
Mara Tanelli
Com’e’ fatto un sistema di controllo?
Tipicamente consiste di:Strumentazione per misurare la/le variabili da controllare (trasduttori);Strumentazione per agire sulle variabili di controllo (attuatori);Una o piu’ leggi di controllo (di solito algoritmi eseguiti da un calcolatore) che comandano gli attuatori in base alle misure.
Vediamo una rapida panoramica di applicazioni.
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Sistemi automatici di controllo nell’industria
manipolatori robotici
linee di produzioneautomatizzate
controllo di processo in impiantichimici, termoelettrici, siderurgici,etc...
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guida automatica di aerei, navi, ...
controllo di veicoli spaziali
dispositivi per il comfort e la sicurezzaattiva negli autoveicoli
controllo d’assetto di treni
Sistemi automatici di controllo nei mezzie nei sistemi di trasporto
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reti di distribuzione dell’energia
automazione deisistemi ferroviari
controllo del traffico
Sistemi automatici di controllo nei servizi
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controllo attivo di strutture civilielettronica di consumoapplicazioni biomedichedispositivi per elettrodomestici...
Sistemi automatici di controlloin altri settori
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Multidisciplinarieta’...
Da tutte le premesse fatte finora si deduce che un controllista deve potersi occupare di:
Strumentazione (trasduttori e attuatori);Hardware (il calcolatore/microcontrollore);Software (l’implementazione delle leggi di controllo);Saper progettare le leggi di controllo.
Noi ci occuperemo soprattutto dell’ultimo aspetto.
Vediamo di fissare bene l’idea sul problema da risolvere…
Mara Tanelli
Il contesto di questo corso
• Problema di controllo: imporre un funzionamento desiderato ad un sistemaassegnato
• Sistema sotto controllo (o da controllare): l’oggetto fisico su cui si pone ilproblema.
• Funzionamento desiderato: richiesta che l’andamento nel tempo di alcunevariabili del sistema sia uguale (rigorosamente?) a quello di variabiliassegnate
• Supponiamo di agire sul sistema da controllare manipolando alcune variabili, dette variabili di controllo
• N.B. Il problema sarebbe “facile” se conoscessimo perfettamente ilcomportamento del sistema da controllare, ma:
I parametri del sistema possono avere valori diversi da quelli nominali(incertezza)Esistono variabili esterne non manipolabili che agiscono sul sistema(disturbi)
Mara Tanelli
Cosa serve per progettare una legge di controllo?
Due cose fondamentali:
• Un modello del sistema, ovvero una descrizione matematica del legame tra variabili di controllo e variabili da controllare;
• Un modello dell’andamento del valore delle variabili in gioco (di controllo, da controllare, andamento desiderato).
Mara Tanelli
Quindi ci servono:
• Strumenti matematici per descrivere il comportamento dei sistemi;
• Strumenti matematici per descrivere i segnali, cioe’l’andamento nel tempo delle variabili in gioco.
Mara Tanelli
Struttura del corso
• Prima parte: matematica dei segnali e dei sistemi;(dall’inizio fino a meta’ corso circa)
• Seconda parte: analisi e progetto di sistemi di controllo.
NOTA: saper operare con segnali e sistemi serve a moltissime altre cose, oltre che a progettare i sistemi di controllo! Lo capirete ad esempio nei corsi di Fondamenti di Elettronica, Fondamenti di segnali e trasmissione ed Elettronica Analogica…
• Concludiamo con un po’ di nomenclatura e qualche schematizzazione dei problemi che affronteremo…
Mara Tanelli
Le variabili in gioco
S.
.
.
u1
um
.
.
.
y1
yp
variabili di uscita
variabilidi
ingresso
...d1 dr disturbi
Su y
d
Tutte le variabili sonofunzioni del tempo:
t ∈ R: tempo continuo
t ∈ N tempo discreto
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Il problema di controllo
u yd
SCyo
S: sistema da controllare (processo, impianto)u: variabile di controllo (ingressi manipolabili del sistema S)d: disturbo (variabile di ingresso non manipolabile)y: variabili di uscita (variabili misurabili, variabili controllate)yo: variabili di riferimento (set-point)C: controllore
Controllore+Sistema da controllare = sistema di controllo
Problema: determinare u in modo tale che yo≈y per tutti i possibiliandamenti di yo e d (errore e= yo-y “piccolo”, spesso con u moderata)
Mara Tanelli
Aspetti realizzativi
Tecnologia del controlloreMeccanicaIdraulicaPneumaticaElettromeccanicaElettronica analogica e digitale
Strumentazione di processoAttuatoriTrasduttori (sensori con elettronica di condizionamentodel segnale. Di solito stadio di amplificazione + conversione del segnale)