Introduzione al corso

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1 Controlli Automatici Introduzione al corso Prof. Cesare Fantuzzi Ing. Cristian Secchi Ing. Federica Ferraguti ARSControl - DISMI - Università di Modena e Reggio Emilia {nome.cognome}@unimore.it

2 Controlli Automatici - Il corso Materiale didattico Testi di riferimento Lucidi delle lezioni P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, Fondamenti di Controlli Automatici, Mc Graw-Hill ed. Tutorial di MATLAB Ricevimento e quesiti via {nome.cognome}@unimore.it Inserire in oggetto la stringa [CA-GEST] per filtro anti-spam Controlli Automatici Introduzione 2

3 Controlli Automatici - L esame Modalità di esame Prova scritta riguardante Quesiti a risposta multipla sulla teoria svolta durante il corso Esercizi (2/3) Prova orale con discussione del compito. Iscrizione OBBLIGATORIA su ESSE3: Tesi di laurea Sono disponibili tesi di laurea presso il laboratorio di Automazione, Robotica e Controllo dei Sistemi oppure stage in azienda su progetti di innovazione e trasferimento tecnologico nei settori della robotica e dei controlli automatici. Elenco aggiornato delle tesi disponibili: Controlli Automatici Introduzione 3

4 Introduzione al corso Introduzione al problema del controllo Sistemi fisici e modelli Strumenti matematici per l'analisi di sistemi dinamici lineari Equazioni differenziali Trasformata di Laplace Funzione di risposta armonica Analisi della risposta temporale di sistemi dinamici elementari Sistemi del 1 e 2 ordine Analisi della risposta frequenziale di sistemi dinamici elementari Diagrammi di Bode Introduzione al controllo automatico Controllo in catena aperta Controllo in retroazione Analisi dei sistemi in retroazione Luogo delle radici Introduzione al progetto di sistemi di controllo Definizione delle specifiche Progetto mediante luogo delle radici Regolatori standard Reti correttrici, PI, PID Programma del corso Controlli Automatici Introduzione 4

5 Introduzione all automazione industriale L automazione industriale è l insieme di metodologie (teoria del controllo automatico) e tecnologie (meccaniche, elettriche, elettroniche, informatiche) che permettono l automatizzazione di processi produttivi al fine di far compiere lavori a macchine Senza intervento umano con Minori costi Maggiore affidabilità Continuità temporale Per operazioni che richiedono precisione, velocità e potenze impossibili all uomo Per operazioni pericolose Per soddisfare vincoli e normative riguardanti sicurezza e impatto ambientale Controlli Automatici Introduzione 5

6 Introduzione all automazione industriale L automazione industriale è solo uno degli aspetti dell automazione Manipolazione Robotica umanoide Robotica mobile Chirurgia robotica Automotive Aerospace Controlli Automatici Introduzione 6

7 Introduzione al controllo automatico Un importante capitolo della scienza dell automazione è costituito dalla disciplina denominata controlli automatici. Studio dei dispositivi (detti regolatori, controllori o dispositivi di controllo) mediante i quali si fanno variare automaticamente le grandezze liberamente manipolabili di un sistema (detto sistema controllato) in modo che subisca l evoluzione nel tempo migliore possibile. La maggiore o minore «bontà» dell evoluzione del sistema nel tempo viene valutata con criteri che sono di volta in volta specificati e sui quali si basa il progetto dei dispositivi di controllo. Controlli Automatici Introduzione 7

8 Esempio di controllo automatico Introduzione al controllo automatico Comportamento desiderato Sistema di controllo Azioni Attuatori Impianto L automatica studia le azioni da effettuare in base alle misure. Il sistema di controllo è un sistema per la manipolazione delle informazioni. Il controllo è strettamente correlato con le informazioni. Misure Segnali dominio del controllo Sensori Energia dominio della fisica Controlli Automatici Introduzione 8

9 Introduzione al controllo automatico Elementi fondamentali per il progetto di un sistema di controllo Occorre: 1. Costruire un modello del sistema (in generale un impianto o una macchina) 2. Definire i segnali corrispondenti alle grandezze fisiche interessate dal controllo 3. Stendere le specifiche di progetto per il sistema controllato 4. Progettare un algoritmo di controllo basato sul modello del sistema, sui segnali disponibili e sulle specifiche Gli algoritmi di controllo che si imparano a progettare nei corsi di Controlli Automatici sono, in realtà, il modello del sistema di controllo (vero) da costruire 5. Verificarne il comportamento mediante tecniche di simulazione 6. Realizzare il sistema fisico che implementa il controllo Corso di Controllo di Sistemi Digitali Controlli Automatici Introduzione 9

10 Esempio: Controllo della temperatura Introduzione al controllo automatico Algoritmo di controllo Sintesi CONTROLLI AUTOMATICI Attuatore Unità di controllo CONTROLLO DI SISTEMI DIGITALI Sistema da controllare (impianto) Sensore Specifica Analisi Controlli Automatici Introduzione 10

11 Concettualizzazione a blocchi Introduzione al controllo automatico STATI INGRESSI grandezze fisiche grandezze fisiche SISTEMA specifiche USCITE grandezze fisiche segnale modello specifiche segnale algoritmo CONTROLLI AUTOMATICI Controlli Automatici Introduzione 11

12 Schema a blocchi di un sistema di controllo Introduzione al controllo automatico Segnali astratti Grandezze fisiche Specifica Regolatore Interfaccia Attuatore Impianto Sw Hw Segnali fisici Calcolatore Interfaccia Sensore Sistema di controllo Controlli Automatici Introduzione 12

13 Schema tecnologico di un sistema di controllo Introduzione al controllo automatico 1001 D A Attuatori Impianto 1001 D A 1 Unità di controllo N Sensori Controlli Automatici Introduzione 13

14 Terminologia Sistema Insieme costituito da più parti (sottosistemi) tra loro interagenti di cui si vuole indagare il comportamento Sistema fisico Insieme complesso costituito da elementi materiali Circuito elettrico, macchina meccanica, impianto chimico, bacino idrico, azienda, corpo umano, Sistema astratto Insieme complesso costituito da elementi immateriali Sistema giuridico, sistema universitario, sistema sociale, Fenomeno (fisico) Manifestazione delle interazioni tra le parti di un sistema Controlli Automatici Introduzione 14

15 Esempi di sistemi Terminologia AEREO SUPERSONICO Sottosistemi: reattore, ali, flaps, pressurizzazione, AUTOMOBILE SPORTIVA Sottosistemi: motore, sospensioni, freni, I sottosistemi sono a loro volta sistemi: dipende dal livello di dettaglio dell analisi svolta. I sistemi reali sono in generale collegati con il resto del mondo Controlli Automatici Introduzione 15

16 Collegamento Interazione del sistema con il mondo esterno Terminologia Ingressi Azioni che il resto del mondo effettua sul sistema. In generale sono in grado di modificarne il comportamento Ingressi di controllo (su cui agiamo) Ingressi di disturbo (su cui non possiamo o non vogliamo agire) Uscite Risultati esterni (effetti) delle azioni e dell evoluzione temporale del sistema dovuta a condizioni iniziali Sistema giuridico, sistema universitario, sistema sociale, In molti casi l attribuzione ad un collegamento della natura di ingresso o di uscita è arbitrariamente fatta dal progettista per sua convenienza o scelta Controlli Automatici Introduzione 16

17 Esempi di orientamento Terminologia v(t) i(t) Qual è l ingresso? Qual è l uscita? Dipende dalla scelta del progettista. Ciascuna delle due variabili i(t) e v(t) può assumere entrambi i ruoli. La coppia erogata dal motore è un ingresso o una uscita? Per l intero veicolo è un ingresso, per il sotto sistema motore è un uscita In un sistema complesso, alcune uscite di sottosistemi sono ingressi di altri sottosistemi. Controlli Automatici Introduzione 17

18 Ingressi di controllo e di disturbo Esempio: Riscaldamento dell aula Terminologia Ingresso di controllo Potenza termica immessa dai radiatori Uscita Temperatura della stanza Ingressi di disturbo Temperatura esterna Irraggiamento solare Potenza termica generata dalle persone Controlli Automatici Introduzione 18

19 Sistemi autonomi Non possiedono ingressi La loro evoluzione temporale non dipende dal resto del mondo Non si possono controllare Terminologia Controllo Azione su un sistema per imporgli comportamenti desiderati. ATTENZIONE! Talora in italiano il termine «Controllo» è usato per indicare una attività di semplice osservazione (in termine tecnico: monitoraggio) Controllo Automatico Azione di controllo esplicata automaticamente da una macchina Controlli Automatici Introduzione 19

20 Terminologia Modello Rappresentazione (fisica o astratta) approssimata di un sistema costruita per uno scopo. Per un sistema possono essere costruiti infiniti modelli Il modello riproduce solo i comportamenti e le proprietà che interessano Segnale Grandezza fisica o astratta associata per comodità di manipolazione ad una grandezza fisica. Ad una grandezza fisica possono essere associati infiniti segnali Il segnale riproduce solo i comportamenti e le proprietà che interessano. Di solito non ha associata una potenza Tensione senza corrente, velocità senza forza, Modelli e segnali sostituiscono i corrispondenti sistemi e grandezze fisiche nelle manipolazioni formali. Controlli Automatici Introduzione 20

21 Terminologia Modello Matematico Descrizione della struttura e dell evoluzione del sistema mediante simboli matematici. Le grandezze caratteristiche di un sistema sono classificate come: Parametri: descrivono la struttura fisica e sono solitamente costanti Valore di una resistenza, massa di una trave, caratteristiche geometriche di un robot, Variabili: descrivono il variare di una grandezza del sistema Corrente elettrica, posizione o velocità di un corpo nello spazio, temperatura di un forno, livello di un liquido in un contenitore, v t = Ri t R parametro v t, i t variabili I parametri e le variabili di un modello matematico (sistema) sono espressi da numeri (interi, reali o complessi) con o senza dimensioni. Le loro interdipendenze sono definite da relazioni matematiche. Comunemente, si intende con il termine sistema sia il sistema fisico vero e proprio, sia il modello matematico con il quale viene descritto. Controlli Automatici Introduzione 21

22 1. Definizione delle specifiche Obiettivi da conseguire Qualità del controllo Costo 2. Modellazione del sistema Scelta del dettaglio Definizione degli ingressi Definizione delle uscite Tipologia di rappresentazione «Costruzione» del modello Validazione mediante simulazione 3. Analisi del sistema Studio delle proprietà Verifica di fattibilità delle specifiche di controllo 4. Sintesi della legge di controllo Basata sul modello Progetto di un sistema di controllo Verifica delle proprietà del sistema controllato valutazione della complessità e stima del carico computazionale Controlli Automatici Introduzione 22

23 4. Simulazione del sistema controllato Condizioni ideali Condizioni realistiche Modello impianto più complesso Quantizzazione delle grandezze, ritardi di calcolo, disturbi di misura 5. Introduzione degli elementi tecnologici Sensori, attuatori Catena di acquisizione ed attuazione Dispositivo di elaborazione 6. Introduzione degli elementi tecnologici Sensori, attuatori Catena di acquisizione ed attuazione Dispositivo di elaborazione 7. Sperimentazione Prototipazione rapida Verifica delle specifiche Stima del costo Costruzione di un prototipo definitivo Ingegnerizzazione Progetto di un sistema di controllo Produzione in serie Controlli Automatici Introduzione 23

24 Motivazioni del controllo Controllare significa agire sull impianto per modificarne il comportamento Esempio: Controllo della temperatura di una stanza Perché controllo Condizioni operative variabili Temperatura esterna Irraggiamento solare Numero di persone Specifiche variabili Temperatura interna desiderata che varia in funzione della presenza in casa Controlli Automatici Introduzione 24

25 Ottimizzazione dell impianto Basata su un modello Motivazioni del controllo Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti delle condizioni operative variabili Spessore delle pareti Rivestimento delle pareti Esposizione delle stanze Forma e dimensione delle finestre Politica di gestione Abbigliamento dei proprietari Chiusura dei vetri d inverno Chiusura delle persiane durante il giorno d estate Apertura delle finestre durante la notte Controlli Automatici Introduzione 25

26 Motivazioni del controllo Controllo in catena aperta Basata su un modello ed una stima delle condizioni operative Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti delle condizioni operative variabili Come il caso precedente + Predisposizione di camini e stufe Politica di gestione Abbigliamento dei proprietari Gestione delle finestre d estate Azione di controllo Accensione dei camini e delle stufe d inverno Immissione di una quantità predefinita di energia Controlli Automatici Introduzione 26

27 Motivazioni del controllo Controllo in retroazione Basata su un modello, sulla misura dell obiettivo (temperatura interna) e delle condizioni operative Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti delle condizioni operative variabili Come il caso precedente, ma meno curata + Predisposizione di impianto di riscaldamento e condizionamento Politica di gestione Abbigliamento dei proprietari (meno attento) Azione di controllo Accensione dell impianto e predisposizione della centralina Immissione di una quantità di energia funzione della temperatura interna ed esterna e delle specifiche Controlli Automatici Introduzione 27

28 Esempio: Sospensione dell automobile Motivazioni del controllo Perché controllo Condizioni operative variabili Numero di persone Rettilineo/curva Tipo di tracciato e di asfalto Specifiche variabili Corsa su pista Rally Guida in città Guida confortevole in autostrada Controlli Automatici Introduzione 28

29 Sospensione tradizionale (senza controllo) Elementi in gioco M v M r S A Massa del veicolo Massa della ruota Sospensione Ammortizzatore Motivazioni del controllo Lo scopo è garantire la tenuta di strada ed il confort h costante mediante la scelta (taratura) di S A Accumulatore di energia (forza posizionale) Dissipatore di energia (forza dinamica) h A S M v M r Problemi: Specifiche di contrasto Condizioni operative variabili (passeggeri, tipo di strada, ) Controlli Automatici Soluzione di compromesso valida in condizioni nominali Introduzione 29

30 Sospensione attiva (con controllo) Elementi in gioco M v Massa del veicolo M r Massa della ruota S Sospensione A Ammortizzatore At Attuatore Serb Serbatoio Serb. At A S M v Motivazioni del controllo Lo scopo è garantire la tenuta di strada ed il confort h costante mediante azione intelligente e continua su At Scambiatore di energia con Serb Vantaggi: Cambiamento della strategia di azione nelle diverse condizioni Soluzione ottimizzata valida in tutte le condizioni h Azione di controllo M r Svantaggi: Costi Controlli Automatici Introduzione 30

31 Motivazioni del controllo Gli esempi mostrano che E indispensabile garantire che il sistema da controllare sia, di per sé, funzionante al meglio anche senza controllo: non si costruisce una Panda per correre in F1 Il controllo deve principalmente garantire le prestazioni Al variare delle specifiche Programmazione giornaliera/settimanale Tipo di guida Al variare delle condizioni operative dell impianto (parametri) Numero di persone presenti nella stanza o di passeggeri Al variare degli agenti esterni (disturbi) Temperatura esterna Irraggiamento Salita/discesa, vento, stato dell asfalto (buche, ) Punto di partenza per il progetto di un sistema di controllo è la predisposizione di un modello dell impianto Controlli Automatici Introduzione 31