Facoltà di Ingegneria dell Informazione Corso di Studi in Ingegneria Elettronica; Allievi A-Z

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1 Fondamenti di Automatica Facoltà di Ingegneria dell Informazione Corso di Studi in Ingegneria Elettronica; Allievi A-Z Informazioni generali sul corso; Introduzione ai contenuti del corso. Usiamo le slides solo per oggi...

2 Informazioni generali Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria (ufficio al II piano) Tel mara.tanelli@polimi.it Orario di ricevimento: martedì N.B. è solo l orario ufficiale. In realtà sia per venire in quell orario sia per fissare un appuntamento in un altro giorno mandatemi sempre una mail Pagina web corso: accessibile da sito web del DEIB ( personale )

3 Orario del corso Orario lezioni e esercitazioni (effettivo da domani!): NOTE: Lunedì (no pausa) 2 ore LEZ (aula EL0) Martedì (di solito una pausa 15 min) 3 ore LEZ (aula B4.2) Venerdì (di solito una pausa 15 min) 3 ore ESE (aula L.26.11) 1. Per le prime 2 settimane di corso al venerdi ci saranno 2 ore di lezione e per i due prossimi lunedi (16/3 e 23/3) finiremo alle 16 (con breve pausa) 2. Verso la fine dell emisemestre potremmo di nuovo aver bisogno di fare 3 ore al lunedì per un paio di lezioni (vi avviserò per tempo in caso servisse)

4 Organizzazione del corso Composizione del corso (indicativa): 60 ore di lezione (in aula), 40 ore di esercitazione (in aula) il tutto corrispondente a 10 CFU. Esercitazioni svolte (principalmente) dall Ing. Giulio Panzani. giulio.panzani@polimi.it

5 Modalita' d'esame Due prove in itinere (FACOLTATIVE), una a metà e una alla fine del corso: Prima prova (5 maggio 2015): riguarderà la prima parte del corso; Seconda prova (1 luglio 2015): riguarderà la seconda parte del corso. Per superare l'esame è necessario che la media dei voti conseguiti nelle due prove sia di almeno 18/30. 1 Appello a luglio: 20/07 2 Appelli a settembre: TBD 1 Appello a gennaio/febbraio: TBD Tutte le prove d esame (comprese le PI) consistono di una prova scritta comprensiva di domande di teoria. N.B. Per sostenere una qualsiasi prova d esame è OBBLIGATORIO iscriversi via Poliself!

6 Materiale didattico Testo del corso: Bolzern, Scattolini, Schiavoni, Fondamenti di controlli automatici (3a edizione!) McGraw-Hill Eserciziari eventuali: Bolzern, Schiavoni, Elementi di automatica-esercizi, Masson Guardabassi, Rocco, Esercizi di controlli automatici, Pitagora Editrice Materiale aggiuntivo Link disponibili alla pagina web del corso

7 Test di autovalutazione Prerequisiti Cose che è importante sapere per seguire il corso: Algebra delle matrici; Numeri complessi; Nozioni di base sulle eq. diff. lineari.

8 Cos e l Automatica? Una possibile definizione... Automatica: l insieme degli strumenti matematici e ingegneristici necessari per la specifica, il progetto e la gestione di sistemi di controllo automatici. In sintesi, l Automatica è quindi la disciplina che si occupa dei problemi di controllo.

9 Cos e un problema di controllo? Si ha un problema di controllo ogni volta che si vuole imporre ad un sistema fisico un comportamento desiderato. Piu precisamente:... ogni volta che si vuole imporre a variabili associate ad un sistema fisico un andamento desiderato.

10 Cos e un problema di controllo? (2) Una definizione molto generale! Questo perche problemi molto diversi tra loro possono essere affrontati con gli stessi metodi mediante una appropriata formulazione matematica. Vediamo un primo esempio molto generale Tanto per farci un idea più concreta

11 Esempio: controllo negli autoveicoli Alcuni problemi di controllo presenti nei veicoli: Controllo dell iniezione; Controllo delle emissioni; Servosterzo; Cambio automatico; Controllo della trazione; Controllo della velocita (cruise control); Stabilizzazione della dinamica (ESP); Controllo di frenata (ABS) Sospensioni attive; Climatizzazione;

12 Cos hanno in comune questi problemi? Gli ingredienti di tutti i problemi di controllo elencati prima sono gli stessi: un sistema fisico dato; una o piu variabili da controllare; una o piu variabili sulle quali agire per influenzare il sistema (variabili di controllo); una specifica dell andamento desiderato delle variabili da controllare (insieme dei requisiti da garantire per il sistema controllato).

13 Elementi distintivi dell Automatica L Automatica quindi consente un approccio comune a problemi di natura molto differente: è indipendente dalla tecnologia ( hidden technology ) è basata su una descrizione matematica della realtà (modellistica/identificazione) offre metodi generali per il progetto del controllo (basato su modelli matematici) l implementazione è comunemente basata su tecnologie informatiche ed elettroniche (microcontrollori installati su sistemi real-time, interfacciate con schede elettroniche per acquisizione e trasmissione dei segnali)

14 Esempi (1) Il climatizzatore: Sistema da controllare: il comportamento termico della cabina dell auto; Variabile da controllare: la temperatura in uno o piu punti della cabina; Variabile sulla quale agire: il comando di uno o piu riscaldatori elettrici e ventilatori; L andamento desiderato della temperatura: quello impostato dai passeggeri (tipicamente costante).

15 Esempi (2) Il servosterzo: Sistema da controllare: la dinamica laterale dell autoveicolo; Variabile da controllare: angolo di sterzata delle ruote; Variabile sulla quale agire: il comando di un servomeccanismo idraulico; L andamento desiderato: quello impostato dal pilota girando il volante.

16 Esempi (3) Il cruise control: Sistema da controllare: la dinamica longitudinale dell autoveicolo; Variabile da controllare: velocità dell auto; Variabile sulla quale agire: acceleratore e freno; L andamento desiderato: quello impostato dal pilota (anche qui, di solito è costante).

17 Com e fatto un sistema di controllo? Tipicamente consiste di: Strumentazione per misurare la/le variabili da controllare (trasduttori); Strumentazione per agire sulle variabili di controllo (attuatori); Una o più leggi di controllo (di solito algoritmi eseguiti da un calcolatore) che comandano gli attuatori in base alle misure. Vediamo una rapida panoramica di applicazioni.

18 Sistemi automatici di controllo nell industria manipolatori robotici linee di produzione automatizzate controllo di processo in impianti chimici, termoelettrici, siderurgici, etc...

19 Sistemi automatici di controllo nei mezzi e nei sistemi di trasporto guida automatica di aerei, navi,... controllo di veicoli spaziali dispositivi per il comfort e la sicurezza attiva negli autoveicoli controllo d assetto di treni

20 Sistemi automatici di controllo nei servizi reti di distribuzione dell energia controllo del traffico automazione dei sistemi ferroviari

21 Sistemi automatici di controllo in altri settori controllo attivo di strutture civili elettronica di consumo applicazioni biomediche dispositivi per elettrodomestici...

22 Multidisciplinarieta... Da tutte le premesse fatte finora si deduce che un controllista deve potersi occupare di: Strumentazione (trasduttori e attuatori); Hardware (il calcolatore/microcontrollore); Software (l implementazione delle leggi di controllo); Saper progettare le leggi di controllo. Noi ci occuperemo soprattutto dell ultimo aspetto. Vediamo di fissare bene l idea sul problema da risolvere

23 Il contesto di questo corso Problema di controllo: imporre un funzionamento desiderato ad un sistema assegnato Sistema sotto controllo (o da controllare): l oggetto fisico su cui si pone il problema. Funzionamento desiderato: richiesta che l andamento nel tempo di alcune variabili del sistema sia uguale (rigorosamente?) a quello di variabili assegnate Supponiamo di agire sul sistema da controllare manipolando alcune variabili, dette variabili di controllo N.B. Il problema sarebbe facile se conoscessimo perfettamente il comportamento del sistema da controllare, ma: I parametri del sistema possono avere valori diversi da quelli nominali (incertezza) Esistono variabili esterne non manipolabili che agiscono sul sistema (disturbi)

24 Cosa serve per progettare una legge di controllo? Due cose fondamentali: Un modello del sistema, ovvero una descrizione matematica del legame tra variabili di controllo e variabili da controllare; Un modello dell andamento del valore delle variabili in gioco (di controllo, da controllare, andamento desiderato).

25 Quindi ci servono: Strumenti matematici per descrivere il comportamento dei sistemi; Strumenti matematici per descrivere i segnali, cioe l andamento nel tempo delle variabili in gioco.

26 Struttura del corso Prima parte: matematica dei segnali e dei sistemi; (dall inizio fino a meta corso circa) Seconda parte: analisi e progetto di sistemi di controllo. NOTA: saper operare con segnali e sistemi serve a moltissime altre cose, oltre che a progettare i sistemi di controllo! Lo capirete ad esempio nei corsi di Fondamenti di Elettronica, Fondamenti di segnali e trasmissione ed Elettronica Analogica Concludiamo con un po di nomenclatura e qualche schematizzazione dei problemi che affronteremo

27 Le variabili in gioco d 1 d r disturbi... variabili di ingresso u 1 u m... S... y 1 y p variabili di uscita u d S Tutte le variabili sono funzioni del tempo: t R: tempo continuo t N tempo discreto y

28 Il problema di controllo d y o C u S y S: sistema da controllare (processo, impianto) u: variabile di controllo (ingressi manipolabili del sistema S) d: disturbo (variabile di ingresso non manipolabile) y: variabili di uscita (variabili misurabili, variabili controllate) y o : segnali di riferimento (set-point) C: controllore Controllore+Sistema da controllare = sistema di controllo Problema: determinare u in modo tale che y o y per tutti i possibili andamenti di y o e d (errore e= y o -y piccolo, spesso con u moderata)

29 Anello aperto e anello chiuso

30 Disturbo misurabile e compensazione

31 Aspetti realizzativi Tecnologia del controllore Meccanica Idraulica Pneumatica Elettromeccanica Elettronica analogica e digitale Strumentazione di processo Attuatori Trasduttori (sensori con elettronica di condizionamento del segnale. Di solito stadio di amplificazione + conversione del segnale)

32 Schema complessivo generale Attuatore: dispositivo fisico che trasmette realmente al sistema l azione di controllo (es. sistema frenante, motore elettrico, valvola, ecc.)