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Fondamenti di automatica
Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
Università degli Studi di Pavia
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Informazioni utili
• Due classi in parallelo:
• Ingegneria Industriale: Prof. Raimondo ([email protected])
• Bioingegneria: Prof. Magni ([email protected]), Prof. Toffanin ([email protected])
• Laboratori (le date verranno comunicate in seguito)
• Ingegneria Industriale: Giovedì 11-13, aule C2-C3
• Attenzione: per la prima settimana il laboratorio sarà Mercoledì 6 Marzo h 14-16 (C2-C3) e non Giovedì 7 Marzo (normale lezione in A2)
• Bioingegneria: Lunedì 16-18, aule C2-C3
• Ricevimento: su appuntamento
• Raimondo: Ufficio (piano F)
• Magni: Presidenza (piano B)
• Toffanin: Laboratorio di Identificazione e Controllo di Sistemi Dinamici (piano C)
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Informazioni utili
• Sito web di riferimento
http://sisdin.unipv.it/lab/
→ Teaching→ Fondamenti di automatica
• Testo consigliato
P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni “Fondamenti di Controlli Automatici”
4a ed., 2015, McGraw-Hill, Italia
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Informazioni utili
• Modalità d'esame
• una prova scritta di 3 ore su tutti gli argomenti del corso
Appunti e calcolatrici grafiche NON sono ammesse agli esami
• Iscrizioni agli appelli
• vanno effettuate dalla propria pagina studente nel sistema web d'Ateneo
Per motivi organizzativi, si chiede che l'iscrizione venga effettuata entro 7 giorni dalla prova
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Il problema del controllo
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Il problema del controllo
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Il problema del controllo
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Il problema del controllo
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Il problema del controllo
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Il problema del controllo
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Problema di controllo
• Definizione più formale
Imporre che l’andamento nel tempo di alcune variabili di processo (dette controllate) sia il
più simile possibile a quello di alcune variabili assegnate (dette di riferimento o set-point)
agendo su altre variabili (dette manipolabili o di controllo)
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Esempio
Automobile su strada pianeggiante: controllo di velocità e traiettoria
• Traiettoria
• Si stima la posizione dell’auto
• Si agisce sul volante
• Velocità
• Si misura la velocità dell’auto (tachimetro)
• Si agisce sui pedali (acceleratore e freno) e sul cambio
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Esempio
Automobile su strada pianeggiante: controllo di velocità e traiettoria
•4 variabili controllate (2 di posizione e 2 di velocità) e 4 variabili di riferimento
•4 variabili di controllo (posizioni del volante, dell'acceleratore, del freno e del cambio)
•N.B.: la coppia dell'albero motore non è una variabile di controllo
Imporre che l’andamento di alcune variabili
di processo (dette controllate) sia il più
simile possibile a quello di alcune variabili
assegnate (dette di riferimento o set-point)
agendo su altre variabili (dette manipolabili
o di controllo)
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Disturbi
Un disturbo è una variabile non manipolabile che agisce sul processo “dall'esterno”.
Esso può essere misurato o meno.
Automobile: esempi di disturbi
• Pendenza della strada
• Carico della macchina
• Forza esercitata dal vento
• Condizioni dell'asfalto
• ...
Il controllo deve essere efficace anche in presenza dei disturbi !
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Classificazione controlli
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Classificazione controlli
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Classificazione controlli
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Controlli automatici
• Esempi di controllo automatico: «pancreas artificiale»
• Obiettivo: migliorare la vita dei pazienti diabetici
• Metodo: sostituire al controllo manuale un controllo automatico
• Set-up
• Monitoraggio continuo del glucosio sottocutaneo (tempo di campionamento 1 min)
• Microinfusore di insulina sottocutaneo (cambio valori di insulina ogni 5/30 min)
• Disturbi
• I pasti sono un ingresso non manipolabile
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Controlli automatici
• Esempi di controllo automatico: climatizzazione di un edificio
• Temperature degli ambienti = variabili controllate
• Temperature desiderate = variabili di riferimento
• Portate d'aria nei locali = variabili di controllo
• (modificabili tramite saracinesche)
• Temperatura esterna, insolazione = disturbi
Controllore: modifica automaticamente le temperature agendo sulle portate d'aria e
compensando, allo stesso tempo, l'effetto dei disturbi
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Controlli automatici
Moltissimi dispositivi, per funzionare in modo efficiente fanno uso di controlli automatici. Automatica = “the hidden technology” (K. Åstrom)
• Esempi in autoveicoli moderni:
• Controllo delle emissioni
• Controllo del minimo
• Servosterzo
• Controllo della trazione
• Climatizzazione
• Sospensioni attive
• Autonomous driving …
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Controlli automatici
Moltissimi dispositivi, per funzionare in modo efficiente fanno uso di controlli automatici. Automatica = “the hidden technology” (K. Åstrom)
• Esempi in autoveicoli moderni:
• Controllo delle emissioni
• Controllo del minimo
• Servosterzo
• Controllo della trazione
• Climatizzazione
• Sospensioni attive
• Autonomous driving …
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Controlli automatici
Moltissimi dispositivi, per funzionare in modo efficiente fanno uso di controlli automatici. Automatica = “the hidden technology” (K. Åstrom)
• Esempi in autoveicoli moderni:
• Controllo delle emissioni
• Controllo del minimo
• Servosterzo
• Controllo della trazione
• Climatizzazione
• Sospensioni attive
• Autonomous driving …
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Controlli automatici
Moltissimi dispositivi, per funzionare in modo efficiente fanno uso di controlli automatici. Automatica = “the hidden technology” (K. Åstrom)
• Esempi in autoveicoli moderni:
• Controllo delle emissioni
• Controllo del minimo
• Servosterzo
• Controllo della trazione
• Climatizzazione
• Sospensioni attive
• Autonomous driving …
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• Impianti di produzione di energia elettrica (controllo di turbine, controllo della frequenza di rete...)
• Strumentazione in ambito sanitario (respirazione automatica, dialisi, controllo dell'anestesia ...)
• Impianti chimici (regolazione di pressione, temperatura, livello, concentrazione e portata ...)
• Elettrodomestici (frigorifero, condizionatore, CD player ...) e apparecchiature elettroniche
• Controllo attivo di strutture
• Sistemi ambientali (depuratori, bioreattori ...)
• Controllo cooperativo di veicoli autonomi
• Autonomous cameras, ...
Controlli automatici
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• Impianti di produzione di energia elettrica (controllo di turbine, controllo della frequenza di rete...)
• Strumentazione in ambito sanitario (respirazione automatica, dialisi, controllo dell'anestesia ...)
• Impianti chimici (regolazione di pressione, temperatura, livello, concentrazione e portata ...)
• Elettrodomestici (frigorifero, condizionatore, CD player ...) e apparecchiature elettroniche
• Controllo attivo di strutture
• Sistemi ambientali (depuratori, bioreattori ...)
• Controllo cooperativo di veicoli autonomi
• Autonomous cameras, ...
Controlli automatici
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• Impianti di produzione di energia elettrica (controllo di turbine, controllo della frequenza di rete...)
• Strumentazione in ambito sanitario (respirazione automatica, dialisi, controllo dell'anestesia ...)
• Impianti chimici (regolazione di pressione, temperatura, livello, concentrazione e portata ...)
• Elettrodomestici (frigorifero, condizionatore, CD player ...) e apparecchiature elettroniche
• Controllo attivo di strutture
• Sistemi ambientali (depuratori, bioreattori ...)
• Controllo cooperativo di veicoli autonomi
• Autonomous cameras, ...
Controlli automatici
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• Impianti di produzione di energia elettrica (controllo di turbine, controllo della frequenza di rete...)
• Strumentazione in ambito sanitario (respirazione automatica, dialisi, controllo dell'anestesia ...)
• Impianti chimici (regolazione di pressione, temperatura, livello, concentrazione e portata ...)
• Elettrodomestici (frigorifero, condizionatore, CD player ...) e apparecchiature elettroniche
• Controllo attivo di strutture
• Sistemi ambientali (depuratori, bioreattori ...)
• Controllo cooperativo di veicoli autonomi
• Autonomous cameras, ...
Controlli automatici
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Controlli automatici
Automatica = rassegna di tecniche sviluppatead hoc per ogni processo ? NO ...
• Impianti di produzione di energia elettrica (controllo di turbine, controllo della frequenza di rete...)
• Strumentazione in ambito sanitario (respirazione automatica, dialisi, controllo dell'anestesia ...)
• Impianti chimici (regolazione di pressione, temperatura, livello, concentrazione e portata ...)
• Elettrodomestici (frigorifero, condizionatore, CD player ...) e apparecchiature elettroniche
• Controllo attivo di strutture
• Sistemi ambientali (depuratori, bioreattori ...)
• Controllo cooperativo di veicoli autonomi
• ...
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tesi triennali svolte presso illaboratorio di controllo dei processiEsempi di applicazioni
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Automatica
Automatica = sviluppo di metodi quanto più possibile
indipendenti dal contesto applicativo
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Simulazione ed esperimenti virtuali
SIMULAZIONE
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Elementi di un problema di controllo
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Elementi di un problema di controllo
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Elementi di un problema di controllo
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Esempio sistema massa-molla
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Esempio sistema massa-molla
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Esempio sistema massa-molla
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Primo progetto del controllore
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Primo progetto del controllore
Vantaggi
• Se il disturbo è realmente
nullo, l’obiettivo di controllo
è raggiunto
• Non è richiesto di misurare
la posizione
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Primo progetto del controllore
𝑒 =𝑑
𝑘
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Primo progetto del controllore
𝑒 =𝑑
𝑘
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Primo progetto del controllore
Errore statico proporzionale
alle incertezze
• d - 0
• k1 – k
Ragione: la variabile di controllo
dipende solo dal set-point e dal
modello del sistema
𝑒 =𝑑
𝑘
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Secondo progetto del controllore
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Secondo progetto del controllore
Vantaggi - parte 1
• Se il disturbo è nullo, l’errore è
nullo (come nel primo progetto)
• Se si ha
➢ L’errore è comunque inferiore a
quello ottenuto dal primo progetto
(migliore reiezione dei disturbi)
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Secondo progetto del controllore
Vantaggi - parte 2
• Se il modello del processo non è
preciso, cioè si ha
➢ L'errore è comunque inferiore a
quello ottenuto dal primo progetto
(migliore robustezza rispetto ad
errori di modellizzazione)
𝑘1𝑦
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Secondo progetto del controllore
Vantaggi – parte 2
• Se il modello del processo non è
preciso, cioè si ha
➢ L'errore è comunque inferiore a
quello ottenuto dal primo progetto
(migliore robustezza rispetto ad
errori di modellizzazione)
Svantaggi: Il controllore utilizza la variabile controllata y che deve essere misurata
➢ Questo è un prezzo che si paga spesso volentieri pur di ridurre l’errore!
𝑘1𝑦
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Classificazione: schema di controllo feedforward
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Classificazione: schema di controllo feedback
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Classificazione: schema di controllo feedback
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Feedforward vs. feedback
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Esempio: controllo di posizione di un robot
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Esempio: controllo di posizione di un robot
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Esempio: controllo di posizione di un robot
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Strumentazione
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Schema di controllo feedback con strumentazione
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Schema di controllo feedback con strumentazione