Corso di Fondamenti d Automatica

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1 Corso di Fondamenti d Automatica Prof. Giovanni Ulivi Ing. Stefano Panzieri Dipartimento di Informatica ed Automazione Via Vasca Navale 79, Roma WEB: it/autom/fondamenti_di_automatica 28/09/2001 G.U -FdA- 1

2 Controllo Automatico Definire le strategie (algoritmi di controllo) affinchè un sistema (processo industriale, macchina, allevamento,...) svolga i suoi compiti con ridotto o nullo intervento umano. Dotare il sistema di capacità decisionale (intelligenza?). Importanza delle tecnologie di calcolo automatico Sistema: insieme complesso e organizzato di componenti legati da relazioni di causa e effetto 28/09/2001 G.U -FdA- 2

3 Tecnologie di implementazione Tecnologie Meccanica (<1940) + elettronica analogica + calcolatori (>1965) + microprocessori Fase: Preistoria (regolatore di Watt) Controllo classico Funz. di trasferimento (dominio di s e ω) Controllo moderno Var. di stato (algebra lineare) Controllo embedded, distribuito, PLC, 28/09/2001 G.U -FdA- 3

4 attuatore valvola controllore fulcro e leva organo di misura galleggiante Serbatoio Quando l acqua raggiunge il livello desiderato, il galleggiante, tramite la leva, chiude la valvola 28/09/2001 G.U -FdA- 4

5 Governor per Mulino a vento Automatismo in un mulino a vento di epoca precedente quella di Watt. Questo ingegnoso meccanismo regolava in modo automatico la distanza tra le due macine, distanza che tendeva a cambiare in seguito ad ogni variazione di velocità del mulino. Il mugnaio doveva fare la regolazione manualmente, per mezzo di una leva. 28/09/2001 G.U -FdA- 5

6 Regolatore di Watt Governor (1787) 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. 28/09/2001 G.U -FdA- 6

7 asse Regolatore di Watt Più veloce gira l'asse, leveraggio M M ω più le masse sono spinte dalla forza centrifuga, Valvola Motore organi di trasmissione più la valvola si chiude. Come scegliere i parametri (M, rapp. di trasm.)? Occorre un modello dinamico matematico. 28/09/2001 G.U -FdA- 7

8 potenziometro ϑ d amplificatore Controllo di Posizione 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 28/09/2001 G.U -FdA- 8

9 Controllo di temperatura T desiderata 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 28/09/2001 G.U -FdA- 9

10 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 28/09/2001 G.U -FdA- 10

11 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 28/09/2001 G.U -FdA- 11

12 I sistemi a larga scala presentano spesso una struttura decomponibile in moduli (sottosistemi) interagenti fra loro. Organizzazione spesso di tipo gerarchico a livelli Sistemi Complessi PLC coordinamento +intelligenza - rapidità un. locale un. locale comandi ctrl 1 ctrl 2 ctrl N informazioni subsyst 1 subsyst N +rapidità - intelligenza Interazioni 28/09/2001 G.U -FdA- 12

13 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 28/09/2001 G.U -FdA- 13

14 Processi Processo Insieme coordinato di trasformazioni e trasmissione di energia, materiali, informazioni, finalizzato ad un obiettivo continui siderurgia carta e vetro petroliferi chimici Prod. e distribuzione dell'energia Settori non tecnici Processi industriali a lotti (manifatturieri) stampaggio ind. elettronica ind. meccanica elettrotecnica aeronautica Naturali: Biologici, Medici, Ecologici Sociali: Organizzativi, Gestionali, Economici 28/09/2001 G.U -FdA- 14

15 Approccio Sistemisitico Blocchi strutturali: relazioni di causa - effetto intuitivi ingressi disturbi Σ parametri uscite misure Ingressi: li possiamo imporre (es.posizione acceleratore, tensione su un motore, angolo del timone) Disturbi: 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 28/09/2001 G.U -FdA- 15

16 Blocchi Strutturali 2 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 28/09/2001 G.U -FdA- 16

17 Argomenti Sviluppo di modelli matematici appropriati Funzioni di trasferimento Risposta armonica Spazio di stato Effetti dellle interconnessioni Analisi delle proprietà dei Sistemi Stabilità Comportamento a regime Comportamento nei transitori Sintesi dei controllori Specifiche sintesi a Tempo continuo sintesi a Tempo discreto Regolazione = l'uscita è mantenuta costante Asservimento = l'uscita segue l'ingresso (tracking) Servomeccanismo = l'uscita è una grandezza meccanica (posizione, velocità) Controllo di processo = l'uscita è una grandezza fisica, variabile con continuità (temperatura pressione, ph). 28/09/2001 G.U -FdA- 17

18 Obiettivi nella sintesi STABILITA' 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 ) 28/09/2001 G.U -FdA- 18

19 Controllo a catena aperta P Strutture Controllo a catena chiusa + - P Compensazione del disturbo disturbo misurabile + - P Controllo con feed-forward P 28/09/2001 G.U -FdA- 19

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