Mara Tanelli

Fondamenti di Automatica

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’InformazioneCorso di Studi in Ingegneria dell’Automazione;

Informazioni generali sul corso;Introduzione ai contenuti del corso.

Usiamo le slide solo per la presentazione del corso (o quasi)...

Mara Tanelli

Informazioni generali

Mara TanelliDipartimento di Elettronica, Informazione e BioingegneriaCampus LeonardoTel. 02-2399.3621Email: mara.tanelli@polimi.it

Orario di ricevimento: su appuntamento

Pagina web corso: accessibile da• http://home.deib.polimi.it/tanelli Didattica• sito web del DEIB (www.deib.polimi.it personale Mara Tanelli)• NON c’e’ materiale su Beep!

Mara Tanelli

Orario del corso

Orario lezioni e esercitazioni (effettivo!):

• Lunedì 10.30-13.00 (di solito una pausa 15 min)2 ore LEZ (aula N.02)

• Martedì 13.30-16.00 (di solito una pausa 15 min)3 ore ESE (aula L.26.11)

•Giovedì 13.30-15.15 (no pausa)2 ore LEZ (aula T.1.3)

• Giovedì 15.30-18.00 (di solito una pausa 15 min)LABORATORIO (3 lezioni), L.26.04, L.26.13Date: 7/4/2016, 12/5/16 e 16/06/16

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Composizione del corso ed esercitatori

Composizione del corso (indicativa): 62 ore di lezione (in aula), 34 ore di esercitazione (in aula), 9 ore di laboratorio (in aula cablata)

il tutto corrispondente a 10 CFU.

Esercitazioni svolte (principalmente) dall’Ing. Gianmarco Rallo; e-mail: gianmarco.rallo@polimi.it

Laboratori svolti da: Ing. Giovanni Vannozzi; Ing. Paolo Donadeo

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Modalita' d'esame

Due prove in itinere (FACOLTATIVE), una a metà e una alla fine del corso:Prima prova (02/05): riguarderà la prima parte del corso;Seconda prova (27/06): 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: 14/7

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!

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Materiale didattico

Testo del corso:Bolzern, Scattolini, Schiavoni, Fondamenti di controlli automatici (3a o 4a edizione)McGraw-Hillhttp://www.ateneonline.it/bolzern3e/

Eserciziari eventuali:• A.V. Papadopoulos, M. Prandini. Fondamenti di Automatica:

Esercizi. Pearson, 2016.• S. Strada, D. Caporale. Automatica-Raccolta di esercizi risolti,

Pitagora Ed., Bologna, 2015.

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.

Mara Tanelli

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.

Mara Tanelli

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;

Mara Tanelli

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 su modelli matematici)

• l’implementazione è comunemente basata su tecnologie informatiche ed elettroniche (microcontrollori installati su sistemi “real-time”, interfacciate con schede elettroniche per acquisizione e trasmissione dei segnali)

L’Automatica quindi consente un approccio comune a 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 produzione automatizzate

controllo di processo in impianti chimici, termoelettrici, siderurgici,etc...

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guida automatica di aerei, navi, ...

controllo di veicoli spaziali

dispositivi per il comfort e la sicurezza attiva negli autoveicoli

controllo d’assetto di treni

Sistemi automatici di controllo nei mezzi e 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 controllo in 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 analizzare il comportamento del sistema e

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 sistema assegnato

• Sistema sotto controllo (o da controllare): l’oggetto fisico su cui si pone il problema.

• Funzionamento desiderato: richiesta che l’andamento nel tempo di alcune variabili del sistema sia uguale (rigorosamente?) a quello di variabili assegnate

• Supponiamo di agire sul sistema da controllare manipolando alcune variabili, dette variabili di controllo

• N.B. Il problema sarebbe “facile” se conoscessimo perfettamente il comportamento 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.

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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!

• 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

variabili di

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 possibili andamenti di yo e d (errore e= yo-y “piccolo”, spesso con u moderata)

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Anello aperto e anello chiuso

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Disturbo misurabile e compensazione

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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)

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Schema complessivo generale

Attuatore: dispositivo fisico che trasmette realmente al sistemal’azione di controllo (es. sistema frenante, motore elettrico, valvola, ecc.)