Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione Corso di Studi in Ingegneria dell Automazione;

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1 Fondamenti di Automatica Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione Corso 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)...

2 Informazioni generali Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria Campus Leonardo Tel mara.tanelli@polimi.it Orario di ricevimento: su appuntamento Pagina web corso: accessibile da Didattica sito web del DEIB ( personale ) NON c e materiale su Beep!

3 Orario del corso Orario lezioni e esercitazioni (effettivo!): Lunedì (di solito una pausa 15 min) 3 ore LEZ (aula T.13) Martedì (di solito una pausa 15 min) 3 ore ESE (aula N.01) Giovedì (no pausa) possibile anche ore LEZ (aula 4.01)

4 Orario del corso: laboratori LABORATORI Mercoledi (di solito una pausa 15 min) aula: L (67 postazioni) Giovedì (di solito una pausa 15 min) aule : L (107 postazioni), L (62 postazioni) Date: 5-6/4, 10-11/5, 24-25/5 Divisione in squadre da definire Il 9/6, : lezione di laboratorio a squadre riunite tenuta dalla docente (aula da definire)

5 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; gianmarco.rallo@polimi.it Laboratori svolti da: Ing. Luca d Avico, Ing. Simone Gelmini, Ing. Dario Nava.

6 Modalita' d'esame Due prove in itinere (FACOLTATIVE), una a metà e una alla fine del corso: Prima prova (02/05 TBD): riguarderà la prima parte del corso; Seconda prova (probabilmente 26/06): 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: probabilmente il 17/7 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 OBBLIGATORIO iscriversi via Poliself!

7 Materiale didattico Testo del corso: Bolzern, Scattolini, Schiavoni, Fondamenti di controlli automatici (3a o 4a edizione) McGraw-Hill Eserciziari eventuali, consigliati: A.V. Papadopoulos, M. Prandini. Fondamenti di Automatica: Esercizi. Pearson, S. Strada, D. Caporale. Automatica-Raccolta di esercizi risolti, Pitagora Ed., Bologna, Materiale aggiuntivo Link disponibili alla pagina web del corso

8 Test di autovalutazione Prerequisiti Cose che è importante sapere per seguire il corso: Algebra delle matrici; Numeri complessi; Nozioni di base sulle eq. diff. lineari.

9 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.

10 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

11 Cos e un problema di controllo? (2) Una definizione molto generale! Questo perchè problemi molto diversi tra loro possono essere affrontati con gli stessi metodi mediante una appropriata formulazione matematica. Vediamo un esempio.

12 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 velocità (cruise control); Stabilizzazione della dinamica (ESP); Controllo di frenata (ABS) Sospensioni attive; Climatizzazione

13 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).

14 Elementi distintivi dell Automatica L Automatica quindi consente un approccio comune a problemi di natura molto differente: è indipendente dalla tecnologia ( hidden technology ) è basata su una descrizione matematica della 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)

15 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 di controllo sulla quale agire: il comando di uno o più riscaldatori elettrici e ventilatori; L andamento desiderato della temperatura: quello impostato dai passeggeri (tipicamente costante).

16 Esempi (2) Il servosterzo: Sistema da controllare: la dinamica laterale dell autoveicolo; Variabile da controllare: angolo di sterzata delle ruote; Variabile di controllo sulla quale agire: il comando di un servomeccanismo idraulico; L andamento desiderato: quello impostato dal pilota girando il volante.

17 Esempi (3) Il cruise control: Sistema da controllare: la dinamica longitudinale dell autoveicolo; Variabile da controllare: velocita dell auto; Variabile di controllo sulla quale agire: acceleratore e freno; L andamento desiderato: quello impostato dal pilota (anche qui, di solito e costante).

18 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.

19 Sistemi automatici di controllo nell industria manipolatori robotici linee di produzione automatizzate controllo di processo in impianti chimici, termoelettrici, siderurgici, etc...

20 Sistemi automatici di controllo nei mezzi e nei sistemi di trasporto guida automatica di aerei, navi,... controllo di veicoli spaziali dispositivi per il comfort e la sicurezza attiva negli autoveicoli controllo d assetto di treni

21 Sistemi automatici di controllo nei servizi reti di distribuzione dell energia controllo del traffico automazione dei sistemi ferroviari

22 Sistemi automatici di controllo in altri settori controllo attivo di strutture civili elettronica di consumo applicazioni biomediche dispositivi per elettrodomestici...

23 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

24 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

25 l contesto di questo corso (2) 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)

26 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).

27 Cosa ci serve? Strumenti matematici per descrivere sia sistemi fisici (in modo astratto, indipendente dall applicazione specifica) e il loro comportamento; Strumenti matematici per descrivere i segnali, cioè l andamento nel tempo delle variabili in gioco.

28 Struttura del corso Prima parte: matematica dei segnali e dei sistemi; (dall inizio fino alla prima PI 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

29 Le variabili in gioco d 1 d r disturbi... variabili di ingresso u 1 u m... S... y 1 y p variabili di uscita u d S Tutte le variabili sono funzioni del tempo: t R: tempo continuo t N tempo discreto y

30 Il problema di controllo d y o C u S y 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) y o : variabili di riferimento (set-point) C: controllore

31 Il problema di controllo (2) d y o C u S y Controllore+Sistema da controllare = sistema di controllo Problema: determinare u in modo tale che y o y per tutti i possibili andamenti di y o e d (errore e= y o -y piccolo, spesso con u moderata)

32 Anello aperto e anello chiuso

33 Disturbo misurabile e compensazione

34 Aspetti realizzativi Tecnologia del controllore Meccanica Idraulica Pneumatica Elettromeccanica Elettronica analogica e digitale Strumentazione di processo Attuatori Trasduttori (sensori con elettronica di condizionamento del segnale. Di solito stadio di amplificazione + conversione del segnale)

35 Schema complessivo generale Attuatore: dispositivo fisico che trasmette realmente al sistema l azione di controllo (es. sistema frenante, motore elettrico, valvola, ecc.)

36 Qualche raccomandazione Studio costante. Gli argomenti sono tutti connessi tra loro. Non c è una disaccoppiamento tra prima e seconda parte del corso! La teoria è importante, anche se non c è l orale! (vedi temi d esame ) Conoscenze pregresse

37 L approccio ideale alle conoscenze scientifiche (e non solo ) SI PARLA DI UN ARGOMENTO CONOSCO/ SONO INFORMATO STUDIO/ MI INFORMO NON SO NIENTE HO CAPITO NON HO ANCORA CAPITO NIENTE PARLO STO ZITTO/A

38 Per chi ha voglia Una bella introduzione alle motivazioni per studiare Automatica, non solo nell ottica di progettare sistemi di controllo