INGEGNERIA E TECNOLOGIE DEI SISTEMI DI CONTROLLO L unità di controllo. L unità di controllo

Transcript

1 INGEGNERIA E TECNOLOGIE DEI SISTEMI DI CONTROLLO Prof. Carlo Rossi DEIS - Università di Bologna Tel: crossi@deis.unibo.it La vista logica e la vista fisica dell unità di controllo Progettazione e realizzazione del piano logico Progettazione e realizzazione del piano fisico La progettazione logica: l aspetto comportamentale dellazione per il controllo L architettura di controllo Le tecniche di controllo La simulazione La prototipazione La progettazione della piattaforma logica: l aspetto architetturale HW/SW partitioning L architettura HW L architettura SW La validazione La simulazione Software in the Loop La simulazione Hardware in the Loop come cuore di un sistema realtime

2 La vista logica e la vista fisica dell unità di controllo Progettazione e realizzazione del piano logico Progettazione e realizzazione del piano fisico La progettazione logica: l aspetto comportamentale dellazione per il controllo L architettura di controllo Le tecniche di controllo La simulazione La prototipazione Il piano logico e quello fisico Operazioni logiche y = f ( x) Componenti elettronici Ed il Software? Le fasi di progetto Progettazione SW Integrazione componente logico Progetto operazioni Pl. I. Partitioning HW/SW Progettazione HW

3 Integrazione e ottimizzazione vista funzionale Logic Plane Logic Plane Specs. Library Progetto Platform independent Logic Plane Operation Design Specs. Library Functional BoM Operation Specs Hardware/Software partitioning trol Misura flow virtuale CPU Hw peripheral BIOS Data trol flow virtuale Data Attuazione flow virtuale Operazioni Pl. I. HW/SW Architecture HW/SW Partitioning Op. Pl. I. CPU BIOS HW Per.

4 La vista logica e la vista fisica dell unità di controllo Progettazione e realizzazione del piano logico Progettazione e realizzazione del piano fisico La progettazione del piano logico: l aspetto comportamentale dellazione per il controllo L architettura di controllo Le tecniche di controllo La simulazione La prototipazione dellazione per il controllo Il progetto del controllo deve derivare dalle caratteristiche del plant Il modello del plant utilizzato deve comprendere (solo) le informazioni necessarie alla sintesi modello di sintesi diverso dal modello utilizzato per la validazione il controllo sarà condizionato dalla bontà del modello di sintesi un buon controllo deve comportarsi bene quando chiuso sul modello di sintesi per definizione la validazione serve per verificare la bontà delle approssimazioni di modello introdotte dellazione per il controllo Quanto più il modello di sintesi è dettagliato, tanto più la sintesi del controllo sarà difficile fondamentale il trade-off tra semplicità e rappresentatività Cosa modellare? Aspetti quantitativamente importanti Non modellare fenomeni comunque non controllabili Fondamentale il concetto di banda passante Fondamentale il concetto di sistema di riferimento (di osservazione)

5 L architettura di controllo E un aspetto fondamentale della progettazione La sua definizione deve seguire i criteri di progettazione di una architettura scomposizione in componenti semplici tempi di sviluppo calibrazione validazione allocazione delle funzionalità da realizzare sui componenti Esempi di funzionalità generazione dei riferimenti generazione delle variabili rappresentative del processo performance dinamiche robustezza trollo in catena aperta E l architettura più utilizzata nella pratica, e forse una delle meno comprese Si possono influenzare le prestazioni ottenibili, ma non le caratteristiche strutturali (stabilità) E sensibile agli errori di modello ed alle variazioni del plant rispetto al modello nominale Non richiede misure robustezza ai guasti di sensore esposizione ai guasti del plant trollo in catena aperta Si basa su un modello inverso del plant Il modello inverso deve tenere conto dei vincoli implementativi (real-time, tempo discreto, presenza di attuatori, saturazioni,..) L inversione va sempre intesa in senso funzionale tra i segnali di ingresso ed uscita dello Plant rif contr usc inverso (modello)

6 trollo in catena aperta - esempio Esempio trollo in catena chiusa Influenza sia prestazioni che proprietà strutturali Può realizzare la stabilità di un sistema instabile, ma può anche generare instabilità Minore sensibilità agli errori di modello ed alle variazioni del plant rif err troll. retroaz. Plant usc misura Sensore trollo in catena chiusa - Esempio Esempio

7 In avanti ed in retroazione In genere si combinano i vantaggi del controllo in catena aperta con quelli in retroazione Le prestazioni dinamiche si ottengono lavorando sulla parte in avanti La retroazione deve recuperare scostamenti dal comportamento nominale: robustezza dello inverso rif err troll. retroaz. Plant usc misura Sensore In avanti ed in retroazione La parte in retroazione lavora su errori più bassi: minori problemi di saturazione Calibrazione più semplice In presenza di un guasto di sensore, generalmente si mantiene il controllo con prestazioni degradate In presenza di un guasto sul plant, generalmente la retroazione limita gli effetti vero se progettato tenendo conto dei guasti gestione delle eccezioni con riconfigurazione Strutture in cascata Il controllo viene articolato su più anelli elementari Struttura in cascata: l uscita di un anello di controllo e il riferimento per l anello successivo Permette di calibrare e validare il controllo più facilmente dello dello inverso inverso rif troll. retroaz. troll. retroaz. Plant usc Sensore Sensore

8 Strutture in cascata In termini di relazione ingresso uscita la definizione dei parametri dei singoli blocchi non è univoca E importante recuperare l univocità assegnando un significato fisico alla variabile intermedia: automatico quando anche l anello interno è in retroazione su una misura da imporre quando l anello interno è solo in avanti In genere, ogni variabile che assume il significato di riferimento deve essere associata fisicamente calibrazione modello univoca validazione eliminazione di side-effects Le tecniche di controllo ltitudine di tecniche di controllo sviluppate nel dominio frequenziale vs. dei tempi controllo lineare, nonlineare, adattativo controllo classico, moderno, robusto... La scelta della tecnica è strettamente legata a quella dell architettura Ogni singola tecnica è caratterizzata da vantaggi e svantaggi non è la complessità della tecnica di controllo che ne caratterizza la bontà Le tecniche di controllo Scelte chiave del progettista: qual è l architettura di controllo migliore per il problema in esame? Qual è la tecnica di controllo migliore per il problema in esame? Una buona risposta alle due domande precedenti rende normalmente semplice ed efficace il progetto del controllo

9 La simulazione La simulazione dell algoritmo di controllo definito è un passo fondamentale è una prima forma di validazione Deve essere effettuata non (non solo) sul modello di sintesi ma su quello di riferimento Serve a validare le ipotesi fatte al momento della definizione del modello di sintesi eventuali comportamenti non attesi o non soddisfacenti devono portare a modificare il modello di sintesi La simulazione Come tutte le attività di validazione L esecuzione deve essere tracciata Deve generare un output Sarà il riferimento per la validazione della realizzazione del controllo validazione HW validazione SW La prototipazione L attività di simulazione non fornisce garanzie sulla effettiva funzionalità La validazione funzionale può essere effettuata solamente sul sistema reale Evita di attendere la realizzazione dell HW e del SW per la validazione funzionale permette di isolare gli errori di specifica Permette di validare le ipotesi fatte al momento della costruzione del modello di riferimento E una attività chiave per la riduzione di tempi e costi di sviluppo

10 La progettazione della piattaforma logica: l aspetto architetturale HW/SW partitioning L architettura HW L architettura SW La validazione La simulazione Software in the Loop La simulazione Hardware in the Loop come cuore di un sistema realtime I sistemi real-time Ogni sistema per il trattamento delle informazioni che deve rispondere a stimoli in ingresso generati esternamente entro un tempo finito e specificato I sistemi real time sono quelli in cui la correttezza del sistema non dipende solamente dal risultato logico dell attività di calcolo ma anche dall istante di tempo in cui il risultato logico è disponibile Real-time e controllo Ingegneria del controllo Sistemi real-time Computer Engineering Una connessione naturale Tutti i sistemi di controllo sono sistemi real-time lti sistemi hard real-time sono sistemi di controllo

11 Real-time e controllo Gli ingegneri di controllo necessitano di conoscenze di sistemi real-time per implementare i sistemi di controllo Gli ingegneri di sistemi informatici necessitano della teoria del controllo per progettare sistemi controllabili Problemi stimolanti e aree di ricerca nell interfaccia dei due mondi Si può perdere molto senza una reale sovrapposizione Computer trol (J. C. West) Discorso inaugurale come Presidente IEE, L applicazione praticamente universale dei microprocessori nell ingegneria dei sistemi di controllo, resa possibile dalla loro economicità e ridotte dimensioni fisiche, ha portato ad una filosofia del controllo tramite computer in cui il software utilizzato a tale scopo maschera il processo fondamentale di controllo. Si è creata l impressione che il ruolo del progettista software abbia sopravanzato quello dell ingegnere del controllo. Per una porzione ridotta e limitatamente a semplici sistemi di controllo, questo può essere vero, ma il microprocessore rimane solamente un elemento del sistema, ed i principi fondamentali del controllo sono ancora gli strumenti di base per lo sviluppo di nuove idee.... La topologia (la struttura) di un nuovo sistema in sviluppo deve essere creata avendo in mente la controllabilità dall inizio Sistemi di controllo real-time Due tipi di sistemi di controllo real-time I sistemi embedded sistemi di controllo dedicati il computer (processore) è parte integrante del sistema, posizionato direttamente sul plant microprocessori, kernel real-time, sistemi operativi real-time industria aerospaziale, automobilistica, robotica,... Sistemi di controllo industriale Sistemi di controllo distribuiti, controllori logici programmabili, soft-plc organizzazione gerarchica industria di processo, manifatturiera,...