Lezione 1. Introduzione

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1 Lezione 1 Introuzione

2 L automatica Con il termine automatica si fa riferimento a una isciplina che stuia tutti gli aspetti metoologici e concettuali che stanno alla base ell automazione, ossia el trasferimento alle macchine i operazioni i governo e controllo i ispositivi, processi e sistemi i svariata natura. Si parla i automazione ogniqualvolta un operazione viene eseguita a una macchina senza, o con riotto, intervento ell uomo. I comparti applicativi in cui si presenta l automazione sono i più svariati e toccano a vicino la vita quotiiana: si pensi agli elettroomestici (frigoriferi, lavatrici, conizionatori), ai sistemi i frenatura e sterzo servoassistiti, alle sospensioni attive o al controllo ella velocità i crociera nelle automobili, al pilota automatico negli aerei, ai processi manifatturieri automatizzati (fabbrica automatica), al controllo i motori elettrici, al controllo egli impianti per la generazione i energia, e così via. Una tale vastità i applicazioni in cui l automazione riveste un ruolo rilevante può far nascere il legittimo ubbio che l automatica si riuca a una rassegna o tutt al più a una classificazione elle applicazioni più significative. In effetti inizialmente (al principio el ventesimo secolo) non vi era alcuna consapevolezza el carattere comune elle applicazioni i controllo. Le applicazioni, che pur esistevano (controllo i livello in serbatoi, controllo i velocità elle macchine a vapore, controllo el moto elle pale i mulini a vento), evolvevano in moo pionieristico e el tutto inipenente tra loro. E stato solo con il formarsi, e quini con il consoliarsi, i una teoria matematica che l automatica ha cominciato a prenere le forme i una isciplina scientifica. Tale teoria matematica va sotto il nome i teoria ei sistemi. Il suo inubbio pregio risiee nel fornire gli strumenti per lo stuio elle caratteristiche el sistema, oggetto i automazione, in moo sostanzialmente inipenente al contesto applicativo. Grazie alla teoria ei sistemi, tutti i sistemi i automazione elencati sommariamente in preceenza possono essere stuiati con la stessa metoologia matematica. Lo stuio ei fonamenti ella teoria ei sistemi, che occuperà la prima parte i questo corso, consentirà a un lato i otarsi i strumenti molto efficaci per l analisi i sistemi (non solo tecnologici, ma anche economici, ecologici o biologici) in cui è importante formalizzare l evoluzione nel tempo elle variabili, all altro preparerà la straa allo stuio ei sistemi i controllo automatico, che occuperà la secona parte el corso. L obiettivo primario ello stuio sarà la valutazione oggettiva elle prestazioni ei sistemi i controllo, per mezzo i parametri che formalizzano concetti intuitivi, quali la stabilità, la velocità i risposta, la precisione el sistema i controllo. Saranno forniti anche elementi per la progettazione el ispositivo che esegue il controllo automatico e per la sua realizzazione in tecnologia igitale. P. Rocco - Dispense i Automatica Lez. 1-1

3 Il problema el controllo Un problema i controllo nasce nel momento in cui si vuole imporre a un oggetto (la cui natura va i volta in volta precisata) un comportamento esierato, per mezzo i opportune azioni esercitate sull oggetto stesso. Operiamo la seguente istinzione: Controllo automatico: l azione i controllo viene esercitata a ispositivi che operano in moo autonomo senza, o con riotto, intervento umano; Controllo manuale: l azione i controllo viene esercitata all operatore umano. Quali sono gli elementi i un problema i controllo? A) Il sistema sotto controllo E il sistema oggetto ell azione i controllo. Su i esso agiscono elle variabili manipolabili, o i controllo (u), e ei isturbi () (variabili inipenenti e incerte), mentre le sue uscite (y) costituiscono le variabili controllate (i cui interessa cioè controllare l anamento nel tempo). B) L anamento esierato elle variabili controllate Sono le variabili (y ) che esprimono l anamento che le variabili controllate ovrebbero assumere per garantire un corretto funzionamento el sistema controllato. Verranno anche chiamate riferimenti o setpoint. y u y S Fig. 1 : Elementi i un problema i controllo Problema i controllo: eterminare, a ogni istante, il valore elle variabili i controllo u in moo tale che le variabili controllate y assumano un anamento quanto più possibile simile all anamento esierato y, qualunque siano, tra quelli ritenuti ragionevoli, gli anamenti ei riferimenti y e ei isturbi. Controllore: oggetto che etermina e esercita l azione i controllo. Legge i controllo: criterio secono il quale agisce il controllore. P. Rocco - Dispense i Automatica Lez. 1-2

4 Un esempio: il frigorifero termometro T ϑ ϑ u M C motore compressore Fig. 2 : Un frigorifero Obiettivo el controllo: Mantenere approssimativamente costante la temperatura all interno el frigo. Riferimento: ϑ valore esierato per la temperatura all interno el frigo (lo si imposta con una manopola). Variabile i controllo: u posizione ell interruttore i alimentazione el motore el compressore. Disturbi: ϑ 1 temperatura ell ambiente esterno; ϑ 2 temperatura egli oggetti inseriti. Variabile controllata: ϑ temperatura all interno el frigorifero (può essere misurata o no). STRATEGIA DI CONTROLLO 1 Si calcola la quantità i calore che eve essere estratta per mantenere una certa temperatura esierata ϑ. Servenosi i un timer, si accene e spegne il motore a intervalli regolari. P. Rocco - Dispense i Automatica Lez. 1-3

5 ϑ ϑ u ϑ controllore sistema Fig. 3 : Strategia i controllo 1 Tipico anamento temporale ella variabile i controllo u: u 1 0 t Fig. 4 : Posizione ell interruttore Osservazioni La legge i controllo si basa esclusivamente sul moello (bilancio termico) Non è richiesto l uso i un termometro Gli eventuali isturbi (porta el frigo lasciata a lungo aperta, oggetti inseriti particolarmente cali, ecc.) compromettono l efficacia ella regolazione ella temperatura. STRATEGIA DI CONTROLLO 2 Si utilizza la misura ϑ m ella temperatura ϑ, fornita a un termometro. ϑ ϑ u ϑ ϑ m T Fig. 5 : Strategia i controllo 2 Si alimenta il motore quano la ifferenza ϑ m ϑ supera una certa soglia e lo si spegne quano tale ifferenza scene al i sotto i un altra soglia (controllo a relè). P. Rocco - Dispense i Automatica Lez. 1-4

6 u 1 ε 0 ε m ϑ ϑ Fig. 6 : Controllore a relè Osservazioni La legge i controllo non si basa sul moello E richiesto l uso i un termometro In presenza i eventuali isturbi la temperatura viene comunque regolata efficacemente. P. Rocco - Dispense i Automatica Lez. 1-5

7 Controllo in anello aperto e in anello chiuso Controllo in anello aperto (feeforwar control) Non viene eseguita alcuna misura sulle variabili el sistema, oppure le eventuali variabili misurate, e utilizzate nella legge i controllo, non ipenono ai valori assunti alla variabile i controllo u (strategia 1 nell esempio preceente). y u y (a) M y u y (b) Fig. 7 : Schemi i controllo in anello aperto Lo schema i Fig. 7b prene il nome i compensazione el isturbo: se il isturbo è misurabile, si esercita un azione i controllo ipene alla misura el isturbo stesso Controllo in anello chiuso (feeback control) L azione i controllo viene esercitata sulla base i misure i granezze il cui valore ipene anche al valore assunto alla variabile u (strategia 2 nell esempio preceente). In questo moo si viene a chiuere un anello nel rapporto i causa e effetto tra le variabili (la variabile y ipene a u che, a sua volta, ipene a y...). y u y y m M y Fig. 8 : Schemi i controllo in anello chiuso Anello aperto Anello chiuso Misura i y No Sì Moello matematico accurato Sì No Sensibilità ai isturbi Elevata Bassa P. Rocco - Dispense i Automatica Lez. 1-6

8 Strumentazione La strumentazione è costituita ai ispositivi (trasuttore e attuatore) che interfacciano il processo sotto controllo con il controllore. Trasuttori: Attuatori: misurano una granezza fisica el sistema sotto controllo (tipicamente la variabile controllata) e ne inviano la misura al controllore in una forma compatibile con la sua tecnologia. traucono l azione i controllo eterminata al controllore in un azione efficace sul sistema, operano sulle sue variabili manipolabili (tipicamente con stai intermei i amplificazione e conversione i potenza). y u m y C A S c T Fig. 9 : Schema i controllo completo i strumentazione Si osservi che nello schema si è operata la istinzione tra la variabile i controllo u e la variabile manipolabile m e tra la variabile controllata y e la sua misura c. P. Rocco - Dispense i Automatica Lez. 1-7