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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, Informazione e Bioingegneria (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 da sito web del DEIB (www.deib.polimi.it �personale� Mara Tanelli)
Mara Tanelli
Orario del corso
Orario lezioni e esercitazioni (effettivo da domani!):
• Lunedì 14.00-15.30 (no pausa)2 ore LEZ (aula EL0)
• Martedì 13.00-15.35 (di solito una pausa 15 min)3 ore LEZ (aula B4.2)
• Venerdì 10.30-13.00 (di solito una pausa 15 min)3 ore ESE (aula L.26.11)
NOTE:
1. Per le prime 2 settimane di corso al venerdi’ ci saranno 2 ore di lezione e per i due prossimi lunedi’ (16/3 e 23/3) finiremo alle 16 (con breve pausa)
2. Verso la fine dell’emisemestre potremmo di nuovo aver bisogno di fare 3 ore al lunedì per un paio di lezioni (vi avviserò per tempo in caso servisse)
Mara Tanelli
Organizzazione del corso
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. Giulio Panzani. 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 (5 maggio 2015): riguarderà la prima parte del corso;�Seconda prova (1 luglio 2015): riguarderà la seconda parte del corso.Per superare l'esame è necessario che la media dei voti conseguiti nelle due prove sia di almeno 18/30.
1 Appello a luglio: 20/072 Appelli a settembre: TBD1 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!
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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
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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 primo esempio molto generale…
https://www.youtube.com/watch?v=XJLMW6l303g
Tanto per farci un’idea più concreta…
https://www.youtube.com/watch?v=N9hXqzkH7YA
Mara Tanelli
Esempio: controllo negli autoveicoli
Alcuni problemi di controllo presenti nei veicoli:
� 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 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: velocità dell’auto;� Variabile sulla quale agire: acceleratore e freno;� L’andamento desiderato: quello impostato dal pilota
(anche qui, di solito è costante).
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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 più 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 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).
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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! 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…
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Le variabili in gioco
S.
.
.
u1
um
.
.
.
y1
yp
variabili di uscita
variabili di
ingresso
...d1 dr disturbi
Su y
d
Tutte le variabili sono funzioni del tempo:
t ∈ R: tempo continuo
t ∈ N tempo discreto
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Il problema di controllo
u y
d
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: segnali 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.)