Lezione 2. F. Previdi - Automatica - Lez. 2 1
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- Gina Costanzo
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1 Lezione 2. Sisemi i dinamici i i a empo coninuo F. Previdi - Auomaica - Lez. 2
2 Schema della lezione. Cos è un sisema dinamico? 2. Modellisica dei sisemi dinamici 3. Il conceo di dinamica 4. Sisemi dinamici a empo coninuo LTI SISO 5. Classificazione dei sisemi dinamici F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 2
3 . Cos è un sisema dinamico? Ingressi Uscie (CAUSE SISTEMA (EFFETTI Un sisema dinamico è un oggeo (o insieme i di oggei ra loro inerconnessi che ineragisce col mondo circosane mediane: ingressi (azioni compiue sul sisema da ageni eserni uscie (descrivono la risposa del sisema agli simoli E indispensabile disporre di modelli maemaici dei sisemi dinamici per descrivere il loro comporameno (e per poi progeare sisemi di conrollo F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 3
4 2. Modelli di sisemi dinamici ingresso: u R m u y S uscia: y R p empo: T Sisemi a empo coninuo T = R IMAD 6 cfu Sisemi a empo discreo T = Z alla fine del corso Sisemi a eveni discrei Auomazione Indusriale 6 cfu F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 4
5 u relazione maemaica y funzioni reali del empo (coninuo Che ipo di relazioni i maemaiche i servono? F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 5
6 3. Il conceo di dinamica Cosa significa l aggeivo dinamico? u y( S u y? 0 0 La conoscenza del valore delle variabili di ingresso al empo non è sufficiene a deerminare univocamene il valore delle variabili di uscia al medesimo empo F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 6
7 Esempio w in h( ( w h in wou w in S w ou poraa in ingresso poraa in uscia kh w ou = Per deerminare w ou bisogna conoscere (olre a w in il livello iniziale del serbaoio w ( [ ] in, 0, h( w, [ 0, ] ou 0 E un sisema dinamico F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 7
8 Esempio i R v( i v S i( correne nella resisenza v( ensione e ai capi della resisenza se Legge di Ohm v = Ri Basa conoscere i( per deerminare univocamene v( E un sisema NON dinamico F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 8
9 Bisogna conoscere qualcosa di più olre al semplice andameno delle variabili di ingresso. Serve memoria per sapere in che condizioni, in che sao iniziale si rova il sisema nell isane in cui si comincia ad applicare l ingresso. La ragione non è puramene maemaica (Se uso eq.differenziali devo conoscere le condizioni iniziali F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 9
10 Esempio u poraa volumerica in ingresso L area di base è A, quindi il volume è livello V = Ah h kh y = Conservazione del volume dv ( u y d poraa volumerica in uscia = y& = u y A k ( ( k y & + y = A k u A ( ( Equazione differenziale del ordine, lineare, non omogenea, a coefficieni cosani F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 0
11 Esempio 2 Forza apparene M & y k y M Bilancio forze = u k y h y& h y& u( Forza di richiamo dll della molla Forza ario viscoso Forza morice && y h k + y& + y = M M M ( ( u Equazione differenziale del 2 ordine, lineare, non omogenea, a coefficieni cosani F. Previdi - Auomaica - Lez. 2
12 Esempio 3 i R u( C y Bilancio di ensione (nella maglia = Ri y u + i ( = Cy& u = RCy& + y y& Equazione differenziale del ordine, y = u RC RC lineare, non omogenea, a coefficieni cosani + ( ( F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 2
13 Esempio 4 i R v u L C y Bilancio di ensione (nella maglia ( = Ri + v y u + && y i v ( &( = Cy = Li& = ( LCy & R + y& L LC LC ( ( ( ( + y = u = RCy& + LCy & y u + Equazione differenziale del 2 ordine, lineare, non omogenea, a coefficieni cosani F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 3
14 Esempio 5 ( ( y q u( u y q Temperaura nel forno = k( y y ky Energia ermica immessa nel forno Energia ermica dispersa nell ambiene q ex Bilancio energeico dq( = u d ( ( ( ( ky Q = Cy Energia inerna Cy& = u ky y& k C C ( + y( = u( Equazione differenziale del ordine, lineare, non omogenea, a coefficieni cosani F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 4
15 Osservazione k y & = A y& y& k A ( + y( u( RC RC ( + y( = u( k C C ( + y( = u( Serbaoio Carica condensaore Forno Sono le sesse equazioni. Descrivono le medesime relazioni causa-effeo. Dal puno di visa dell auomaica sono sisemi dinamici con le medesime caraerisiche. i & y && y h M k M M ( + y& ( + y( = u( R L LC LC ( + y& ( + y( = u( Massa-molla con ario (smorzaore Carica condensaore - induore F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 5
16 Esempio 6 C a a( ( Coppia ario viscoso u( l y( M Coppia morice J = C a Ml 2 = hy& Momeno di inerzia Coppia ario viscoso && Mg Coppia apparene J&& y Bilancio coppie = u Mgl sin y C 2 Coppia di gravià = Mgl sin y hy& u Ml & y + h Ml g l Ml ( + y& ( + sin y( = u( y 2 2 Equazione differenziale del 2 ordine, NON LINEARE, non omogenea, a coefficieni i i cosani F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 6 a
17 4. Sisemi dinamici LTI SISO (puno di visa eserno eserno u y( S Un sisema dinamico in cui la relazione ra l ingresso (scalare u( e l uscia (scalare y( è descria da un equazione differenziale di ordine n,, lineare, a coefficieni cosani nella singola incognia y( si dice sisema dinamico Lineare Tempo Invariane di ordine n SISO (Single Inpu Single Oupu. n i m i d y d u α = i β α i i i n = i= 0 d i= 0 d con condizioni iniziali n dy ( 0 d y y y ; = y ; L ; = y 0 = 0,0 n n,0 d = 0 d = 0 con il vincolo m n econα α i e β i reali. F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 7
18 Osservazione I sisemi LTI hanno una sruura semplice e sono disponibili moli risulai eorici per il loro sudio (e per il progeo di conrollori. Inolre, moli sisemi dinamici non lineari o empo-variani sono descrivibili mediane sisemi LTI (almeno in prima approssimazione. Noi ci occuperemo in queso corso solo di sisemi LTI SISO. F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 8
19 5. Classificazione dei sisemi dinamici Sisema lineare L equazione differenziale è lineare nell ingresso e nell uscia. Alrimeni, i si dice non lineare Sisema empo-invariane (o sazionario L equazione differenzialei ha coefficieni i i cosani (non dipendono dal empo. Alrimeni, si dice empo-variane (o non sazionario F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 9
20 Sisema proprio L equazione differenziale ha derivae massime dell uscia e dell ingresso dello sesso ordine n. Alrimeni, si dice sreamene proprio. Sisema SISO (Single Inpu Single Oupu Ingresso ed uscia sono scalari, cioè u ( R y R Alrimeni, i si dice MIMO (Muliple l Inpu Muliple l Oupu F. Previdi - Auomaica - Lez. 2 20
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