prof. cesare fantuzzi ing. cristian secchi ing. federica ... · controlli automatici introduzione 7...
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Introduzione al corso
Prof. Cesare Fantuzzi
Ing. Cristian Secchi
Ing. Federica Ferraguti
ARSControl - DISMI - Università di Modena e Reggio Emilia
E-mail: {nome.cognome}@unimore.it
http://www.arscontrol.org/teaching
Controlli Automatici Introduzione 2
Controlli Automatici - Il corso
Materiale didattico
http://www.arscontrol.org/teaching
Testi di riferimento
Lucidi delle lezioni
P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, “Fondamenti di Controlli Automatici”, Mc Graw-Hill ed.
Tutorial di MATLAB
http://www.mathworks.it/help/pdf_doc/matlab/getstart.pdf
Ricevimento e quesiti
via e-mail: {nome.cognome}@unimore.it
Inserire in oggetto la stringa [CA-GEST] per filtro anti-spam
Controlli Automatici Introduzione 3
Controlli Automatici - L’esame
Modalità di esame
Prova scritta riguardante
Quesiti a risposta multipla sulla teoria svolta durante il corso
Esercizi (2/3)
Prova orale con discussione del compito.
Iscrizione OBBLIGATORIA su ESSE3: http://www.esse3.unimore.it
Tesi di laurea
Sono disponibili tesi di laurea presso il laboratorio di Automazione,Robotica e Controllo dei Sistemi oppure stage in azienda su progetti diinnovazione e trasferimento tecnologico nei settori della robotica e deicontrolli automatici.
Elenco aggiornato delle tesi disponibili: http://www.arscontrol.org/theses
Controlli Automatici Introduzione 4
Programma del corso Introduzione al corso
Introduzione al problema del controllo
Sistemi fisici e modelli Strumenti matematici per l'analisi di sistemi dinamici lineari
Equazioni differenziali Trasformata di Laplace Funzione di risposta armonica
Analisi della risposta temporale di sistemi dinamici elementari Sistemi del 1° e 2° ordine
Analisi della risposta frequenziale di sistemi dinamici elementari Diagrammi di Bode
Introduzione al controllo automatico Controllo in catena aperta Controllo in retroazione
Analisi dei sistemi in retroazione Luogo delle radici
Introduzione al progetto di sistemi di controllo Definizione delle specifiche Progetto mediante luogo delle radici
Regolatori standard Reti correttrici, PI, PID
Controlli Automatici Introduzione 5
Introduzione all’automazione industrialeL’automazione industriale è l’insieme di metodologie (teoria del controlloautomatico) e tecnologie (meccaniche, elettriche, elettroniche, informatiche)che permettono l’automatizzazione di processi produttivi al fine di farcompiere lavori a macchine
Senza intervento umano con
Minori costi
Maggiore affidabilità
Continuità temporale
Per operazioni che richiedono precisione, velocità e potenze impossibili all’uomo
Per operazioni pericolose
Per soddisfare vincoli e normative riguardanti sicurezza e impatto ambientale
Controlli Automatici Introduzione 6
L’automazione industriale è solo uno degli aspetti dell’automazione
Introduzione all’automazione industriale
Manipolazione Robotica umanoide
Automotive
Robotica mobile Chirurgia robotica
Aerospace
Controlli Automatici Introduzione 7
Un importante capitolo della scienza dell’automazione è costituito dalladisciplina denominata controlli automatici.
Studio dei dispositivi (detti regolatori, controllori o dispositivi di controllo)mediante i quali si fanno variare automaticamente le grandezze liberamentemanipolabili di un sistema (detto sistema controllato) in modo che subiscal’evoluzione nel tempo migliore possibile.
La maggiore o minore «bontà» dell’evoluzione del sistema nel tempo vienevalutata con criteri che sono di volta in volta specificati e sui quali si basa ilprogetto dei dispositivi di controllo.
Introduzione al controllo automatico
Controlli Automatici Introduzione 8
Esempio di controllo automatico
Introduzione al controllo automatico
Comportamentodesiderato
Sistema dicontrollo
Sensori
Azioni
Attuatori
Impianto
Misure
Energiadominio della
fisica
Segnalidominio del
controllo
L’ automatica studia le azioni daeffettuare in base alle misure.Il sistema di controllo è unsistema per la manipolazionedelle informazioni. Il controllo èstrettamente correlato con leinformazioni.
Controlli Automatici Introduzione 9
Introduzione al controllo automaticoElementi fondamentali per il progetto di un sistema di controllo
Occorre:
1. Costruire un modello del sistema (in generale un impianto o unamacchina)
2. Definire i segnali corrispondenti alle grandezze fisiche interessate dalcontrollo
3. Stendere le specifiche di progetto per il sistema controllato
4. Progettare un algoritmo di controllo basato sul modello del sistema, suisegnali disponibili e sulle specifiche Gli algoritmi di controllo che si imparano a progettare nei corsi di Controlli Automaticisono, in realtà, il modello del sistema di controllo (vero) da costruire
5. Verificarne il comportamento mediante tecniche di simulazione
6. Realizzare il sistema fisico che implementa il controllo Corso di Controllo di Sistemi Digitali
Controlli Automatici Introduzione 10
Introduzione al controllo automaticoEsempio: Controllo della temperatura
Unità dicontrollo
Attuatore
Sensore
Specifica
Sistema da controllare(impianto)
Algoritmo di controllo0010110100
CONTROLLIAUTOMATICI
CONTROLLO DISISTEMI DIGITALI
Analisi
Sintesi
Controlli Automatici Introduzione 11
Introduzione al controllo automaticoConcettualizzazione a blocchi
grandezze fisiche
SISTEMA
grandezze fisiche
grandezze fisiche
INGRESSI
STATI
USCITE
segnale
modello
algoritmo
segnale
CONTROLLI AUTOMATICI
specifiche
specifiche
Controlli Automatici Introduzione 12
Introduzione al controllo automaticoSchema a blocchi di un sistema di controllo
Regolatore Interfaccia
Segnali astratti
Attuatore Impianto
Grandezze fisiche
Segnalifisici
Interfaccia SensoreCalcolatore
Sistema di controllo
Specifica
Sw
Hw
Controlli Automatici Introduzione 13
Introduzione al controllo automaticoSchema tecnologico di un sistema di controllo
AD1001
1A
1001D
Sensori
AttuatoriImpianto
Unità di controllo
N
Controlli Automatici Introduzione 14
Terminologia• Sistema
Insieme costituito da più parti (sottosistemi) tra loro interagenti di cui si vuoleindagare il comportamento
Sistema fisico
Insieme complesso costituito da elementi materiali Circuito elettrico, macchina meccanica, impianto chimico, bacino idrico, azienda, corpo
umano, …
Sistema astratto
Insieme complesso costituito da elementi immateriali Sistema giuridico, sistema universitario, sistema sociale, …
• Fenomeno (fisico)
Manifestazione delle interazioni tra le parti di un sistema
Controlli Automatici Introduzione 15
TerminologiaEsempi di sistemi
• AEREO SUPERSONICO
Sottosistemi: reattore, ali, flaps, pressurizzazione, …
• AUTOMOBILE SPORTIVA
Sottosistemi: motore, sospensioni, freni, …
I sottosistemi sono a loro volta sistemi: dipende dal livello di dettagliodell’analisi svolta.
I sistemi reali sono in generale collegati con il resto del mondo
Controlli Automatici Introduzione 16
Terminologia• Collegamento
Interazione del sistema con il mondo esterno
Ingressi
Azioni che il resto del mondo effettua sul sistema. In generale sono in grado di modificarne ilcomportamento
Ingressi di controllo (su cui agiamo)
Ingressi di disturbo (su cui non possiamo o non vogliamo agire)
Uscite
Risultati esterni (effetti) delle azioni e dell’evoluzione temporale del sistema dovuta acondizioni iniziali
Sistema giuridico, sistema universitario, sistema sociale, …
In molti casi l’attribuzione ad un collegamento della natura di ingresso o diuscita è arbitrariamente fatta dal progettista per sua convenienza o scelta
Controlli Automatici Introduzione 17
TerminologiaEsempi di orientamento
Qual è l’ingresso?
Qual è l’uscita?
Dipende dalla scelta del progettista. Ciascuna delle due variabili 𝑖(𝑡) e 𝑣(𝑡)può assumere entrambi i ruoli.
La coppia erogata dal motore è un ingresso ouna uscita?
Per l’intero veicolo è un ingresso, per il sottosistema motore è un’uscita
In un sistema complesso, alcune uscite di sottosistemi sono ingressi di altrisottosistemi.
𝑖(𝑡)
𝑣(𝑡)
Controlli Automatici Introduzione 18
TerminologiaIngressi di controllo e di disturbo
Esempio: Riscaldamento dell’aula
• Ingresso di controllo Potenza termica immessa dai radiatori
• Uscita Temperatura della stanza
• Ingressi di disturbo Temperatura esterna
Irraggiamento solare
Potenza termica generata dalle persone
Controlli Automatici Introduzione 19
Terminologia• Sistemi autonomi Non possiedono ingressi
La loro evoluzione temporale non dipende dal resto del mondo
Non si possono controllare
• Controllo
Azione su un sistema per imporgli comportamenti desiderati.
ATTENZIONE! Talora in italiano il termine «Controllo» è usato per indicare unaattività di semplice osservazione (in termine tecnico: monitoraggio)
Controllo Automatico
Azione di controllo esplicata automaticamente da una macchina
Controlli Automatici Introduzione 20
Terminologia• Modello
Rappresentazione (fisica o astratta) approssimata di un sistema costruita peruno scopo. Per un sistema possono essere costruiti infiniti modelli
Il modello riproduce solo i comportamenti e le proprietà che interessano
• Segnale
Grandezza fisica o astratta associata per comodità di manipolazione ad unagrandezza fisica. Ad una grandezza fisica possono essere associati infiniti segnali
Il segnale riproduce solo i comportamenti e le proprietà che interessano. Di solito non haassociata una potenza
Tensione senza corrente, velocità senza forza, …
Modelli e segnali sostituiscono i corrispondenti sistemi e grandezze fisichenelle manipolazioni formali.
Controlli Automatici Introduzione 21
TerminologiaModello Matematico
Descrizione della struttura e dell’evoluzione del sistema mediante simbolimatematici. Le grandezze caratteristiche di un sistema sono classificate come:
Parametri: descrivono la struttura fisica e sono solitamente costanti
Valore di una resistenza, massa di una trave, caratteristiche geometriche di un robot, …
Variabili: descrivono il variare di una grandezza del sistema
Corrente elettrica, posizione o velocità di un corpo nello spazio, temperatura di un forno, livellodi un liquido in un contenitore, …
𝑣 𝑡 = 𝑅𝑖 𝑡 𝑅 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
𝑣 𝑡 , 𝑖 𝑡 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖
I parametri e le variabili di un modello matematico (sistema) sono espressi da numeri(interi, reali o complessi) con o senza dimensioni.
Le loro interdipendenze sono definite da relazioni matematiche.
Comunemente, si intende con il termine sistema sia il sistema fisico vero e proprio,sia il modello matematico con il quale viene descritto.
Controlli Automatici Introduzione 22
Progetto di un sistema di controllo1. Definizione delle specifiche Obiettivi da conseguire
Qualità del controllo
Costo
…
2. Modellazione del sistema Scelta del dettaglio
Definizione degli ingressi
Definizione delle uscite
Tipologia di rappresentazione
«Costruzione» del modello
Validazione mediante simulazione
3. Analisi del sistema Studio delle proprietà
Verifica di fattibilità delle specifiche di controllo
4. Sintesi della legge di controllo Basata sul modello
Verifica delle proprietà del sistema controllato valutazione della complessità e stima del carico computazionale
Controlli Automatici Introduzione 23
Progetto di un sistema di controllo4. Simulazione del sistema controllato Condizioni ideali
Condizioni realistiche Modello impianto più complesso
Quantizzazione delle grandezze, ritardi di calcolo, disturbi di misura
5. Introduzione degli elementi tecnologici Sensori, attuatori
Catena di acquisizione ed attuazione
Dispositivo di elaborazione
6. Introduzione degli elementi tecnologici Sensori, attuatori
Catena di acquisizione ed attuazione
Dispositivo di elaborazione
7. Sperimentazione Prototipazione rapida
Verifica delle specifiche
Stima del costo
Costruzione di un prototipo definitivo
Ingegnerizzazione
Produzione in serie
Controlli Automatici Introduzione 24
Motivazioni del controlloControllare significa agire sull’impianto per modificarne il comportamento
Esempio: Controllo della temperatura di una stanza
• Perché controllo Condizioni operative variabili
Temperatura esterna
Irraggiamento solare
Numero di persone
Specifiche variabili Temperatura interna desiderata che varia in funzione della presenza in casa
Controlli Automatici Introduzione 25
Motivazioni del controlloOttimizzazione dell’impianto
Basata su un modello
• Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti delle condizionioperative variabili
Spessore delle pareti
Rivestimento delle pareti
Esposizione delle stanze
Forma e dimensione delle finestre
• Politica di gestione Abbigliamento dei proprietari
Chiusura dei vetri d’inverno
Chiusura delle persiane durante il giorno d’estate
Apertura delle finestre durante la notte
Controlli Automatici Introduzione 26
Motivazioni del controlloControllo in catena aperta
Basata su un modello ed una stima delle condizioni operative
• Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti delle condizionioperative variabili
Come il caso precedente +
Predisposizione di camini e stufe
• Politica di gestione Abbigliamento dei proprietari
Gestione delle finestre d’estate
• Azione di controllo Accensione dei camini e delle stufe d’inverno
Immissione di una quantità predefinita di energia
Controlli Automatici Introduzione 27
Motivazioni del controlloControllo in retroazione
Basata su un modello, sulla misura dell’obiettivo (temperatura interna) edelle condizioni operative
• Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti delle condizionioperative variabili
Come il caso precedente, ma meno curata +
Predisposizione di impianto di riscaldamento e condizionamento
• Politica di gestione Abbigliamento dei proprietari (meno attento)
• Azione di controllo Accensione dell’impianto e predisposizione della centralina
Immissione di una quantità di energia funzione della temperatura interna ed esterna e delle specifiche
Controlli Automatici Introduzione 28
Motivazioni del controlloEsempio: Sospensione dell’automobile
• Perché controllo Condizioni operative variabili
Numero di persone
Rettilineo/curva
Tipo di tracciato e di asfalto
Specifiche variabili Corsa su pista
Rally
Guida in città
Guida confortevole in autostrada
Controlli Automatici
Motivazioni del controlloSospensione tradizionale
(senza controllo)
• Elementi in gioco 𝑀𝑣 Massa del veicolo
𝑀𝑟 Massa della ruota
𝑆 Sospensione
𝐴 Ammortizzatore
• Lo scopo è garantire la tenuta distrada ed il confort
ℎ costante
mediante la scelta (taratura) di 𝑆 Accumulatore di energia
(forza posizionale)
𝐴 Dissipatore di energia
(forza dinamica)
• Problemi: Specifiche di contrasto
Condizioni operative variabili
(passeggeri, tipo di strada, …)
Soluzione di compromesso valida incondizioni nominali
Introduzione 29
𝑀𝑟
𝐴𝑆
ℎ
𝑀𝑣
Controlli Automatici
Motivazioni del controlloSospensione attiva
(con controllo)
• Elementi in gioco 𝑀𝑣 Massa del veicolo
𝑀𝑟 Massa della ruota
𝑆 Sospensione
𝐴 Ammortizzatore
𝐴𝑡 Attuatore
𝑆𝑒𝑟𝑏 Serbatoio
• Lo scopo è garantire la tenuta distrada ed il confort
ℎ costante
mediante azione intelligente e
continua su 𝐴𝑡 Scambiatore di energia con 𝑆𝑒𝑟𝑏
• Vantaggi: Cambiamento della strategia di azionenelle diverse condizioni
Soluzione ottimizzata valida in tutte lecondizioni
• Svantaggi: Costi
Introduzione 30
𝑀𝑟
𝐴𝑆
ℎ
𝑀𝑣
Serb.
Azione di controllo
𝐴𝑡
Controlli Automatici Introduzione 31
Motivazioni del controlloGli esempi mostrano che
• E’ indispensabile garantire che il sistema da controllare sia, di per sé,funzionante al meglio anche senza controllo: non si costruisce una Pandaper correre in F1
• Il controllo deve principalmente garantire le prestazioni Al variare delle specifiche
Programmazione giornaliera/settimanale
Tipo di guida
Al variare delle condizioni operative dell’impianto (parametri) Numero di persone presenti nella stanza o di passeggeri
Al variare degli agenti esterni (disturbi) Temperatura esterna
Irraggiamento
Salita/discesa, vento, stato dell’asfalto (buche, …)
Punto di partenza per il progetto di un sistema di controllo è lapredisposizione di un modello dell’impianto