Corso di Elementi di Elettronica e Regolazione

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1 Corso di Elementi di Elettronica e Regolazione per l Ingegneria Meccanica Prof. Stefano Panzieri Dipartimento di Informatica ed Automazione Via Vasca Navale 79, Roma panzieri@dia.uniroma3.it WEB: autom/regolazione regolazione.panzieri.it Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 1

2 Descrivere un sistema fisico La mia moto è un sistema? Capire il suo comportamento Cosa é l Automatica Quanti Km faccio con un litro? In quanto spazio freno se vado a 60 Km/h? Esplorare la sua struttura Che relazione c è tra la potenza e la quantità di miscela aria/benzina fornita dal carburatore? Modificare il suo funzionamento Che marcia mi conviene in salita? Come faccio a risparmiare la benzina? Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 2

3 Decomposizione Gerarchica di un Sistema Utile per un autoricambi Simile al modello di esplorazione del Web Non mette in evidenza il come funziona! Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 3

4 Decomposizione Funzionale di un Sistema Apertura valvola Coppia Forza Posizione Angolare Posizione angolare Quantità combustibile Coppia x n Velocità Esprime quelle relazioni di causa-effetto a noi necessarie per capire il funzionamento del sistema e per poter intervenire su di esso! Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 4

5 Approccio Sistemistico Blocchi strutturali: relazioni di causa - effetto ingressi disturbi Σ parametri uscite misure Ingressi: Disturbi: li possiamo imporre (es.posizione acceleratore, tensione su un motore elettrico, angolo del timone) agiscono indipendentemente (es. vento, coppia resistente, corrente in mare) Uscite: ciò che ci interessa (es. velocità, angolo asse del motore, angolo di rotta) Misure: ciò che possiamo misurare (es. posizione ago del tachimetro, lettura goniometro, lettura bussola) Parametri: le "costanti" che appaiono nel modello del sistema (es. la massa, gli attriti, l elasticità) Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 5

6 Sistema Statico Sistemi Statici e Dinamici Le uscite dipendono dagli ingressi attuali u = ingresso y = f( u) y = uscita Sistema Dinamico Le uscite dipendono dagli ingressi passati u = ingresso g y y y u u u = (1) ( n) (1) ( m) (,,...,,,,..., ) 0 y = uscita Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 6

7 Modellazione Cosa é l Automatica Ottenere una rappresentazione matematica basata sulla fisica del sistema Studio delle soluzioni Analitiche (in forma chiusa) Computazionali (simulazioni) Esplorazione Analisi e Controllo dei Sistemi Dinamici Ricerca di relazioni tra struttura e comportamento Approfondimento del comportamento del sistema Modifica, Controllo Ricerca di metodi per cambiare il comportamento del sistema Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 7

8 Sistema di Controllo Automatico Azione di Controllo (manuale o automatica) L azione necessaria ad ottenere un comportamento predeterminato di un sistema Algoritmo di Controllo La strategia necessarie ad assicurare la migliore performance di un sistema nel rispetto dei suoi limiti operativi Sistema di Controllo Automatico Strategia + Tecnologia necessarie affinché un sistema svolga i suoi compiti con ridotto o nullo intervento umano Sistema intelligente Sistema di controllo dotato di capacità decisionale (ma intelligenza = adattabilità ) Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 8

9 Controllo manuale della guida Posizione angolare Apertura Quantità Coppia x n combustibile Coppia Forza Velocità Attuazione del comando Elaborazione azione da intraprendere Acquisizione Misura Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 9

10 Controllo manuale del livello Riempire un secchio di acqua è un operazione che richiede l intervento di: Un sistema di misura Un sistema di attuazione Un sistema di controllo controllore attuatore organo di misura Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 10

11 Cotrollo automatico del livello attuatore valvola controllore fulcro e leva organo di misura galleggiante Quando l acqua raggiunge il livello desiderato, il galleggiante, tramite la leva, chiude la valvola Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 11

12 La controreazione (feedback) Negli schemi di controllo visti sino ad ora si evidenzia la presenza di un LOOP Velocità di riferimento Errore di velocità Attuazione del comando Velocità attuale r + confronto e elaborazione azione u sistema da controllare y - misura e acquisizione Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 12

13 Primo Modulo Sistemi Lineari costanti tempo invarianti Sviluppo di modelli matematici appropriati Funzione di Trasferimento Risposta Armonica Analisi delle proprietà dei Sistemi Stabilità Comportamento a Regime Comportamento nei transitori Sintesi dei Controllori Specifiche nel tempo Specifiche in frequenza Argomenti del corso di FdA Secondo Modulo Sistemi Lineari costanti tempo continuo e tempo discreto Sviluppo di modelli matematici appropriati Spazio di Stato Funzione di trasferimento discreta Analisi delle proprietà dei Sistemi Proprietà strutturali dei sistemi tempo continuo Ruolo del tempo di campionamento Sintesi dei Controllori Assegnazione delle dinamiche Sistemi di controllo a segnali campionati Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 13

14 Storia del controllo a Controreazione Sviluppi fondamentali della storia umana che hanno condizionato lo studio e lo sviluppo dei sistemi di controllo Misura accurata del tempo (Greci e Arabi) 300AC!1258DC (caduta di Bagdad in mano Mongola) Orologi ad acqua Regolatori del livello dell olio nelle lampade La rivoluzione industriale (Inghilterra dal 1745 ma anche nel 1600) Mulini a vento e ad acqua Temperatura delle fornaci Motore a vapore Le comunicazioni di massa e le guerre mondiali (1910!1945) Telecomunicazioni ( Bell Telephone Laboratories) Controllo delle navi (giroscopio 1910, PID 1922) Sistemi di puntamento d arma automatici (servomeccanismi e Radar) L era del computer e dell esplorazione spaziale Sputnik 1957 Microprocessori Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 14

15 Alessandria:terzo secolo prima di Cristo (270 AC) La controreazione è usata per mantenere costante il livello dell acqua, e quindi la pressione, nel primo serbatoio Orologio ad Acqua di Ktesibios (270 AC) Klepsydra (ladra d acqua) Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 15

16 Orologio ad Acqua di Ktesibios (270 AC) Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 16

17 Regolatore di Watt Governor (1788) L'applicazione di questo congegno alla macchina a vapore riveste una grande importanza nella storia della tecnica perchè esso fu il capostipite di una numerosissima famiglia di apparecchi automatici di controllo, tutti indispensabili per il corretto funzionamento degli impianti. Questo "governor" faceva accelerare la macchina se rallentava per il troppo carico o la faceva rallentare dopo una accelerazione dovuta a diminuzione di carico Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 17

18 Regolatore di Watt asse più veloce gira l'asse, più le masse sono spinte dalla forza centrifuga, M M più la valvola si chiuderà, leveraggio ω meno vapore alimenterà il motore, Valvola Motore organi di trasmissione meno velocemente girerà l asse! Come scegliere i parametri (M, rapp. di trasm.)? Occorre un modello dinamico matematico. Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 18

19 T desiderata Controllo di temperatura Sensore di temperatura (termostato) Attuatore (relais) Riscaldatore + acqua (processo) alimentazione Quando l acqua si fredda, la barretta si accorcia e chiude l interruttore Notare che la temperatura oscilla intorno a Tdes Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 19

20 Controllo di Posizione potenziometro ϑ d amplificatore motore carico ϑ Finché i due angoli sono diversi, l'amplificatore ha tensione di ingresso 0, il motore ruota, e la differenza tra gli angoli si riduce. Quando gli angoli sono uguali L errore è nullo Il motore si ferma Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 20

21 Rappresentazione con blocchi strutturali Controllo di posizione dell'asse di un motore +E ϕ i -E Rid V=cost +E -E ϕ u Disturbi --> V alim. V eccit. ϕ i potenz. + - amplificatore potenziometro motore + riduttore ϕ u Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 21

22 Piattaforma motorizzata Comando di sterzo Angolo misurato amplificatori di potenza i trasduttore di posizione Comando di velocità i ϕ Velocità misurata vel trasduttore di velocità Motori Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 22

23 Controllo di Robot mobile Xo Yo Xfin, Yfin Il task velocità sterzo v (t) d Controllore Comando di velocità Velocità misurata pianificazione t ϕ (t) d La traiettoria desiderata Struttura cinematica del veicolo Controllore Comando di sterzo Angolo misurato Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 23

24 Fabbrica Automatica 3 Livello Gestione della produzione (ottimizzazione) 4 Livello Pianif. globale 2 Livello Coordinamento delle macchine 1 Livello Comando delle singole macchine PLC) Macchine Movimentazione a CN Processo continuo Robot Rete di campo Magazzini Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 24

25 Sistemi Complessi I sistemi a larga scala presentano spesso una struttura decomponibile in moduli (sottosistemi) interagenti fra loro Organizzazione spesso di tipo gerarchico a livelli PLC coordinamento +intelligenza - rapidità un. locale ctrl 1 ctrl 2 un. locale ctrl N comandi informazioni subsyst 1 subsyst N +rapidità - intelligenza Interazioni Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 25

26 Processo Definizioni Insieme coordinato di trasformazioni e trasmissione di energia, materiali, informazioni, finalizzato ad un obiettivo Processo industriale Continui (siderurgia, carta, vetro, petroliferi, chimici, produzione e distribuzione dell energia elettrica) A lotti (stampaggio, ind. elettronica, mecanica, tessile) Altri Processi Biologici, medici, ecologici, organizzativi, gestionali, economici Controllo di processo l'uscita è una grandezza fisica, variabile con continuità (temperatura pressione, ph). Servomeccanismo l'uscita è una grandezza meccanica (posizione, velocità) Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 26

27 Definizioni Nero: riferimento Rosso: uscita Regolazione l'uscita è mantenuta costante intorno ad un valore predefinito Asservimento l'uscita segue l'ingresso il più possibile (inseguimento di traiettoria) Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 27

28 STABILITA' Obiettivi nella sintesi Ingressi e disturbi limitati producono effetti limitati Inoltre L'uscita segue gli andamenti desiderati, con date tolleranze in condizioni ideali. La risposta è veloce. Rumori di diverse provenienze sono filtrati. Incertezze sui parametri non influenzano l'uscita. Disturbi esterni non influenzano l'uscita. Per ogni punto: Specifiche di Progetto 1. Precisione a regime (caratt. statiche) 2. Prontezza di risposta (Risposta armonica: banda passante, risposta al gradino,tempo di salita) 3. Precisione dinamica (Sovraelongazione della risposta al gradino,costanza della risposta armonica ) Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 28

29 Controllo a catena aperta l azione di controllo è indipendente dall uscita Amplificatore Definizioni pick-up Motore CC Controllo a catena chiusa l azione di controllo dipende dall uscita pick-up + Σ Amplificatore Motore CC - tachimetro Elementi di regolazione ROMA TRE Stefano Panzieri- 29