CONTROLLI AUTOMATICI LS INTRODUZIONE CONTROLLI AUTOMATICI LS

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Benedetta Elvira Massari
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Claudio Melchiorri DEIS-Università di Bologna Tel.

1 CONTROLLI AUTOMATICI LS Ingegneria Informatica CONTROLLI AUTOMATICI LS INTRODUZIONE Prof. Claudio Melchiorri DEIS-Università di Bologna Tel

2 Controlli Automatici LS 2 Orario (13/10 05/12): Lunedì Martedì Mercoledì Giovedì Venerdì L 5.6 E Q 5.7 L 5.7 E 5.7 L 5.7 L E LAB LAB 1 LAB 1 LAB 1 Esami: 11 dicembre 2008 ore 14:00, aule 6.1 e gennaio 2009 ore 14:00, aule 6.1 e 6.2

3 Controlli Automatici LS 3 Finalità del Corso Il corso ha lo scopo di fornire: conoscenze di base sui sistemi di controllo digitale gli strumenti fondamentali per l analisi e la sintesi di sistemi di controllo di sistemi multivariabili alcune conoscenze necessarie alla realizzazione di sistemi di controllo in ambienti real-time Verranno presentati: tecniche di realizzazione di algoritmi di controllo a tempo discreto gli strumenti matematici necessari allo studio dei sistemi e alla comprensione delle loro proprietà principali alcune tecniche di controllo per sistemi multivariabili

Controlli Automatici LS Esercitazioni Esercitazioni al

RTAI-Linux 4 Dr. Ing. Gianluca Palli - gianluca.

Ing. Gianni Borghesan - gianni.borghesan@unibo.

it/people/gborghesan Modalità di esame: 1.

4 Controlli Automatici LS Esercitazioni Esercitazioni al calcolatore in ambiente Matlab/Simulink (Scilab) e RTAI-Linux 4 Dr. Ing. Gianluca Palli - gianluca.palli@unibo.it - Dr. Ing. Gianni Borghesan - gianni.borghesan@unibo.it - Modalità di esame: 1. Redazione di una relazione sulle esercitazioni svolte (tesina) 2. Prova scritta 3. Discussione

Controlli Automatici LS 5 Conoscenze pregresse: Controlli automatici L-A e L-B, Analisi matematica L-A, L-B, Matematica applicata, Geometria

it/people/cmelchiorri/ R. Carloni, C. Melchiorri, G. Palli, Esercizi di controlli automatici e teoria dei sistemi, Esculapio Ed.

G. Marro, Modellistica e controllo dei sistemi multivariabili, dispense su altri argomenti trattati nel corso, disponibili in pdf sul sito

5 Controlli Automatici LS 5 Conoscenze pregresse: Controlli automatici L-A e L-B, Analisi matematica L-A, L-B, Matematica applicata, Geometria e algebra L-A, conoscenze di Fisica, Elettrotecnica, Elettronica. Testi consigliati: Dispense ed appunti su: R. Carloni, C. Melchiorri, G. Palli, Esercizi di controlli automatici e teoria dei sistemi, Esculapio Ed. Bologna, G. Marro, Teoria dei sistemi e del controllo, Zanichelli, G. Marro, Controlled and Conditioned Invariants in Linear System Theory (traduzione in inglese del precedente). G. Marro, Modellistica e controllo dei sistemi multivariabili, dispense su altri argomenti trattati nel corso, disponibili in pdf sul sito web del Prof. Marro. C. Bonivento, C. Melchiorri, R. Zanasi, Sistemi di controllo digitale Esculapio Ed., Bologna

6 Controlli Automatici LS Programma 6 1. Sistemi tempo discreto. (cenni) Realizzazione su elaboratore digitale delle leggi di controllo. Tipologie di segnale. Convertitori AD/DA. Ricostuzione di segnali. Teorema di Shannon. Equazioni alle differenze. Trasformate Z. 2. Lo spazio degli stati. Concetti fondamentali. Esempi di sistemi dinamici. La soluzione numerica delle equazioni differenziali. Controllo ed osservazione. I principali problemi della teoria dei sistemi e del controllo. 3. I sistemi lineari. Sistemi tempo-continuo lineari non stazionari. Sistemi tempo-continuo lineari stazionari. Estensioni ai sistemi tempo-discreto. I sistemi campionati nello spazio degli stati. 4. Proprietà dei modelli lineari stazionari. Controllabilità e osservabilità. Sistemi equivalenti e realizzazioni. Alcune realizzazioni canoniche. Relazioni fra la rappresentazione dei sistemi dinamici lineari stazionari nello spazio degli stati e con matrici di trasferimento. Significato degli zeri nello spazio degli stati. Allocazione degli autovalori con retroazione dallo stato. Sintesi degli osservatori. Allocazione degli autovalori con retroazione dalle uscite. 5. Analisi della stabilità. Il primo metodo e il metodo diretto di Lyapunov. Funzioni definite positive e funzioni di Lyapunov. Cicli limite. Stabilità dei sistemi lineari non stazionari. 6. Controllo ottimo. Le equazioni matriciali di Sylvester e di Lyapunov. Norme di segnali e sistemi. Il controllo ottimo in retroazione. Regolazione ed inseguimento ottimi a orizzonte infinito con retroazione dello stato. Equazione algebrica di Riccati. Margini di stabilità. Regolazione con specifiche formulate nel dominio delle frequenze. Il controllo integrale. Il controllo ottimo ad orizzonte finito.

Introduzione Scopo ultimo: controllo di sistemi dinamici (complessi) 7 Controllo: Azione sul sistema (macchina, apparato, impianto, processo, ) per modificarne (migliorarne) il comportamento

7 Introduzione Scopo ultimo: controllo di sistemi dinamici (complessi) 7 Controllo: Azione sul sistema (macchina, apparato, impianto, processo, ) per modificarne (migliorarne) il comportamento Necessità di: Apparati tecnologici per misura ed attuazione (sensori, motori, ) Sistema di elaborazione (DSP, PLC, ) real-time con opportuna capacità computazionale Leggi di controllo per decidere le opportune azioni

8 Controllo ovunque! 8 Settori dell'ingegneria impianti chimici, macchine ed impianti meccanici, robotica, industria aeronautica, spaziale.. sistemi per la produzione, il trasporto e la gestione della energia, per il controllo del traffico (aereo, stradale,...) apparati elettronici, elettromeccanici e di telecomunicazione sistemi di trasporto (automobile, treni), elettrodomestici, domotica,... Altri settori economia e finanza sistemi sociali e politici ambiente e territorio medicina e biologia,

9 Controllo ovunque! Generazione e distribuzione dell energia 9

10 Controllo ovunque! Controllo di processo 10

11 Controllo ovunque! Industria manifatturiera 11

12 Controllo ovunque! Veicoli 12

13 Controllo ovunque! Elettronica di consumo 13

14 Controllo ovunque! Medicina 14

15 Controllo ovunque! Robotica 15

16 Controllo ovunque! Scienza 16 Ottica adattativa Microscopio atomico

Il processo della retroazione governa il modo in cui cresciamo, rispondiamo allo

17 Controllo ovunque! Biologia 17 Il concetto di retroazione è una caratteristica fondamentale della vita. Il processo della retroazione governa il modo in cui cresciamo, rispondiamo allo stress e alle sfide, e regola fattore come la temperatura corporea, la pressione sanguinea, il livello di colesterolo. Questi meccanismi operano a tutti i livelli, dall interazione di proteine nelle cellule all interazione di organismi in ecologie complesse. M.B. Hoagland, B. Dodson, The Way Life Works, Times Book, 1995

18 Cenni storici 18 Le origini del controllo l'uomo ha sempre tentato di costruire sistemi il cui comportamento fosse migliorato da un sistema di controllo l'approccio è stato empirico ed inventivo fino alla metà del XIX secolo tempo Orologio ad acqua Ktesibios 300 a.c.

19 Cenni storici Esempio famoso: motore a vapore di J. Watt (1798 ca), con controllo automatico 19 Controllo automatico della velocità

20 Cenni storici 20 Le origini del controllo nella seconda metà del XIX secolo J. C. Maxwell e I. A. Vyshnegradskii formularono indipendentemente le prime teorie del controllo basate su modelli descritti da equazioni differenziali nella prima metà del XX secolo gli sviluppi della teoria del controllo proseguirono in modo differenziato nei paesi occidentali ed in Unione Sovietica a partire da motivazioni ingegneristiche all'ovest su basi prettamente matematiche all'est pietra miliare dello sviluppo ingegneristico della Teoria del Controllo è l'amplificatore in retroazione negativa (Black, 1927) sviluppi teorici sullo studio della stabilità di Nyquist 1932, Bode 1940

21 Cenni storici 21 I Controlli Automatici divennero una vera e propria disciplina ingegneristica a partire dagli anni 40 Impulsi allo sviluppo dei Controlli Automatici: la seconda guerra mondiale autopiloti per aerei, sistemi di puntamento per cannoni, per radar, lo sviluppo dei calcolatori elettronici (primi anni 50) rese applicabili molte teorie già sviluppate sul piano formale la conquista dello spazio (anni 60 e 70) fu possibile per la disponibilità di sofisticati sistemi di controllo lo sviluppo dei microprocessori (seconda metà degli anni 70) e dei DSP (seconda metà degli anni 80) diffusione generalizzata dei sistemi di Automazione Industriale introduzione di sistemi di controllo in una moltitudine di apparati anche al di fuori delle applicazioni industriali

22 Cenni storici Le tecniche di controllo frequenziali (basate su Trasformate di Laplace, Diagrammi di Bode, ecc) hanno avuto molta diffusione durante ed immediatamente dopo la II Guerra Mondiale. Questo tipo di tecniche è adatto per sistemi SISO lineari stazionari (teoria classica del controllo). 22 Bode Diagram Frequency Phase Magnitude

Cenni storici Nel caso di sistemi non lineari o MIMO queste

iniziato ad essere sviluppate tecniche alternative, sia per

23 Cenni storici Nel caso di sistemi non lineari o MIMO queste tecniche hanno però pesanti limitazioni, che ne riducono l applicabilità a pochi casi. 23 A partire dalla fine degli anni 50 inizio anni 60 hanno iniziato ad essere sviluppate tecniche alternative, sia per l analisi che per la sintesi di sitemi MIMO (Sputnik ). Teoria moderna del controllo.

24 Situazione attuale e prospettive di sviluppo Sofisticati sistemi di controllo sono presenti in tutti i sistemi militari, industriali, civili 24

Situazione attuale e prospettive di sviluppo 25 Applicazioni in settori ingegneristici non industriali autoveicoli Al momento vi sono decine di applicazioni di controllo: servosterzo, servofreno,

25 Situazione attuale e prospettive di sviluppo 25 Applicazioni in settori ingegneristici non industriali autoveicoli Al momento vi sono decine di applicazioni di controllo: servosterzo, servofreno, ABS, controllo di assetto, controllo dell'iniezione, fasatura variabile,.. In prospettiva si arriverà a centinaia di sistemi di controllo elettronica di consumo macchine fotografiche, videocamere, telefoni cellulari lettori di CD, DVD, periferiche per computer elettrodomestici lavatrici, lavastoviglie, frigoriferi,.. domotica controllo remoto delle attività domestiche (favorito dallo sviluppo dei sistemi di comunicazione)

26 Situazione attuale e prospettive di sviluppo 26 Aree di sviluppo in settori non ingegneristici: apparecchiature biomediche sistemi biologici ambiente e territorio sistemi socio-economici mercati finanziari Marketing

27 CONTROLLI AUTOMATICI LS Introduzione FINE Prof. Claudio Melchiorri DEIS-Università di Bologna Tel

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