CONTROLLI AUTOMATICI Ingegneria della Gestione Industriale e della Integrazione di Impresa http://www.automazione.ingre.unimore.it/pages/corsi/controlliautomaticigestionale.htm SISTEMI E MODELLI Ing. Luigi Biagiotti Tel. 051 20939903 e-mail: luigi.biagiotti@unibo.it http://www-lar.deis.unibo.it/~lbiagiotti
Sistemi e Modelli - Dal sistema ad un modello Sistema: insieme, isolato artificialmente dal contesto, costituito da più parti tra loro interagenti di cui si vuole indagare il comportamento Variabili di ingresso Sistema (dinamico) Variabili di uscita Variabili di ingresso: azioni compiute sul sistema da agenti esterni che ne influenzano il comportamento variabili di uscita: grandezze del sistema in esame che, per qualche ragione, sono di interesse Rapporto causa-effetto tra le variabili Introduzione -- 2
Sistemi e Modelli - Dal sistema ad un modello Sistema statico/dinamico modello matematico dei sistemi statici equazioni algebriche (sistemi privi di memoria) l'uscita del sistema dipende solo dal valore assunto dall'ingresso in quell'istante es: relazione tra tensione e corrente in un resistore modello dei sistemi dinamici (a parametri concentrati) equazioni differenziali (sistemi con memoria) l'uscita del sistema non dipende solo dal valore assunto dall'ingresso in quell'istante, ma anche da quelli passati es: relazione tra tensione e corrente in un condensatore Variabili di stato: variabili che descrivono la situazione interna del sistema (determinata dalla storia passata) necessarie per determinare l uscita Introduzione -- 3
Sistemi e Modelli - Dal sistema ad un modello Ingresso Stato Uscita Rappresentazione interna Rappresentazione esterna Descritti dal modello matematico Introduzione -- 4
Sistemi e Modelli Rappresentazione di stato (interna) Ingresso Stato Uscita Evoluzione dello stato in funzione dell ingresso e dello stato: Equazione di stato Derivata dello stato all istante t Vettore di stato Vettore di ingresso Dipendenza dell uscita dall ingresso e dallo stato Vettore di uscita Dato x(t 0 ) (valore dello stato all istante iniziale) e dato u(t), t t 0, sotto certe proprietà di regolarità di f( ), allora l equazione di stato definisce l andamento di x(t) e y(t). Introduzione -- 5
Sistemi e Modelli Rappresentazione di stato (interna) - esempio Circuito RC Dalla legge delle tensioni i(t) e sapendo che v i (t) v R v c (t) si ottiene Avendo posto u(t) = v i (t), x(t) = v C (t), y(t) = v R (t) Introduzione -- 6
Sistemi e Modelli Rappresentazione ingresso-uscita (esterna) - esempio Circuito RC Dalla legge delle tensioni i(t) e sapendo che v i (t) v R v c (t) si ottiene ovvero (derivando rispetto a t) Avendo posto u(t) = v i (t), y(t) = v R (t) Introduzione -- 7
Schemi a blocchi Un sistema viene rappresentato graficamente con un blocco, e le sue variabili mediante collegamenti con l'ambiente esterno o con altri sistemi. S S 1 S 2 Introduzione -- 8
Schemi a blocchi Un sistema orientato è un sistema in cui le variabili sono suddivise in Variabili di ingresso (cause) Variabili di uscita (effetti) ingressi Non sempre la suddivisione tra ingressi ed uscite (cause ed effetti) è univoca u 1 (t) u 2 (t) S u 3 (t) y(t) uscita i a (t) R a L a c(t), ω(t) v a (t) i e (t) v e (t) L e Introduzione -- 9
Schemi a blocchi I sistemi (sottosistemi) possono essere connessi tra loro mediante le variabili di ingresso/uscita. Le variabili sono indicate con frecce, e in uno schema oltre ai blocchi che descrivono i sistemi vi possono essere nodi sommatori e punti di diramazione. u 1 (t) y 1 (t) u 2 (t) + + y(t) u(t) y 2 (t) - u 3 (t) y 3 (t) Introduzione -- 10
Schemi a blocchi Connessione in cascata (serie): l uscita del primo costituisce l ingresso del secondo u(t) = u 1 (t) y y S 1 S 2 (t) = y(t) 1 (t) = u 2 (t) 2 Connessione in parallelo: stesso ingresso u(t) u 1 (t) u 2 (t) S 1 S 2 y 1 (t) y 2 (t) Introduzione -- 11
Schemi a blocchi Connessione in retroazione: i sistemi sono collegati ad anello e si influenzano reciprocamente u 1 (t) y 1 (t) y 2 (t) S 1 S 2 u 2 (t) Introduzione -- 12
Riduzione di schemi a blocchi Spesso i sistemi complessi vengono rappresentati con schemi a blocchi, i cui elementi hanno ciascuno un solo ingresso e una sola uscita. Blocchi elementari per la rappresentazione di sistemi puramente algebrici sono x y che rappresenta un elemento nonlineare, la cui caratteristica ingresso-uscita è tracciata schematicamente entro il blocco stesso x K y che rappresenta un elemento lineare, caratterizzato dalla costante di proporzionalità K che lega l'uscita all'ingresso y(t) = K x(t), specificata di regola entro il blocco stesso La seconda rappresentazione verrà estesa anche ai sistemi dinamici lineari stazionari, introducendo, al posto della costante di proporzionalità, la funzione di trasferimento, che comprende ogni informazione relativa al comportamento dinamico ingresso-uscita (a partire da una condizione iniziale di quiete). Introduzione -- 13
Riduzione di schemi a blocchi - Regole Riduzione di blocchi in cascata: Riduzione di blocchi in parallelo: Introduzione -- 14
Riduzione di schemi a blocchi - Regole Scambio di giunzioni sommanti Spostamento di un punto di prelievo di segnale a monte di un blocco: Introduzione -- 15
Riduzione di schemi a blocchi - Regole Spostamento di un punto di prelievo a valle di un blocco: Spostamento di una giunzione sommante a monte di un blocco: Introduzione -- 16
Riduzione di schemi a blocchi - Regole Spostamento di una giunzione sommante a valle di un blocco: Eliminazione di un anello: Introduzione -- 17
Riduzione di schemi a blocchi Mediante queste otto regole fondamentali, si possono ridurre schemi a blocchi comunque complessi fino a giungere ad una forma minima, che consiste: Per i sistemi con un solo ingresso ed una sola uscita, in un solo blocco Per i sistemi con più ingressi e più uscite in un numero di blocchi pari al prodotto del n.o degli ingressi per il n.o delle uscite n b = n i n u Introduzione -- 18
Sistemi e Modelli statici/dinamici modello matematico dei sistemi statici equazioni algebriche (sistemi privi di memoria) modello dei sistemi dinamici (a parametri concentrati) equazioni differenziali (sistemi con memoria) monovariabili/multivariabili (SISO MIMO) un ingresso-una uscita, più ingressi-più uscite lineari/nonlineari le variabili entrano linearmente/non linearmente invarianti/tempo varianti le loro caratteristiche sono costanti/variano nel tempo a parametri concentrati/distribuiti equazioni differenziali ordinarie/alle derivate parziali Introduzione -- 19
Sistemi e Modelli Definizione: Un modello si dice causale quando l'uscita corrispondente ad una data sollecitazione si manifesta soltanto in istanti non anteriori a quello iniziale di applicazione della sollecitazione Un modello non causale si dice anticipativo. Un modello anticipativo non può corrispondere ad alcun sistema fisico non è immaginabile un sistema che reagisce ad una sollecitazione ancor prima che questa sia applicata! Il modello è non causale se consideriamo x come ingresso ed y come uscita (si pensi alla derivata come rapporto incrementale) occorrono sia il valore passato che quello futuro della variabile è causale se consideriamo y come ingresso ed x come uscita Non si può costruire un derivatore ideale Modelli non causali sono utilizzati per comodità di analisi e manipolazione Introduzione -- 20
Sistemi e modelli causali Esempio (impossibilità fisica): x(t) y(t) L ampiezza (e quindi l energia) del segnale di uscita y(t) crescerebbe all infinito all aumentare Clock della pulsazione ω in ingresso! t To Workspace2 y To Workspace1 x, y,y i 8 6 4 2 0 x x i y y i Sine Wave du/dt Derivative u Abs 1 s Integrator yi To Workspace3-2 0 2 4 6 8 10 Tempo (s) u Abs1 1 xi s Integrator1 To Workspace4 x x, y,y i 15 10 5 0 x x i y y i To Workspace -5 0 2 4 6 8 10 Tempo (s) Introduzione -- 21
Modelli a parametri concentrati Le caratteristiche fisiche dei sistemi dinamici sono distribuite nel sistema fisico stesso: -massa - elasticità -resistenza -... Nella descrizione dei modelli dinamici, se possibile, è bene fare delle approssimazioni che permettono di concentrare in uno (o pochi) punti tali caratteristiche e quindi ottenere notevoli semplificazioni nelle loro espressioni matematiche. Si hanno i cosiddetti modelli a parametri concentrati. Nella pratica, anche se è chiaro che tutte le caratteristiche dei sistemi fisici sono distribuite, si cerca ove possibile di avere modelli a parametri concentrati. Introduzione -- 22
Modelli a parametri concentrati I modelli a parametri concentrati sono espressi da equazioni differenziali ordinarie (tempo continuo) o equazioni alle differenze (tempo discreto), che sono funzioni solo del tempo: Se non è possibile considerare come concentrati alcuni dei parametri del modello, allora si deve ricorrere a equazioni alle differenze parziali. Infatti, la dinamica non dipende solo dal tempo ma anche, per esempio, dallo spazio: Introduzione -- 23
Modelli a parametri costanti nel tempo Se le proprietà di un dato sistema sono indipendenti dal tempo (costanti), allora i relativi parametri sono costanti. I relativi modelli sono detti stazionari o invarianti. Per tali sistemi si ha la ripetibilità degli esperimenti: l'uscita che si ottiene applicando al sistema con un dato stato iniziale x 0 un ingresso al tempo t 0 è uguale (a parte una traslazione nel tempo) a quella che si ottiene (con lo stesso stato iniziale x 0 ) applicando lo stesso ingresso all'istante t-δ. 2.5 2.5 2 2 1.5 1.5 1 1 x, y 0.5 x, y 0.5 0 0-0.5-0.5-1 -1-1.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Tempo (s) -1.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Tempo (s) Introduzione -- 24
Modelli a parametri costanti nel tempo Da un punto di vista pratico, è raro che i parametri di un sistema non cambino nel tempo. D'altra parte, è sufficiente che essi non varino in modo apprezzabile in un arco temporale confrontabile alla durata dell'esperimento. Nei modelli stazionari, non ha importanza l'istante di inizio dell'osservazione, che viene quindi solitamente considerato uguale a zero: t 0 = 0 Introduzione -- 25
Risposta da stato zero, con ingresso zero, completa In generale, l'uscita y(t) di un sistema dinamico per t t 0 dipende: dall'ingresso u(τ) applicato in [t 0, t]; dallo stato iniziale x 0 che ha il sistema per t =t 0. Risposta da stato zero (o risposta forzata) Si dice risposta da stato zero o risposta forzata la risposta y ZS (t) di un sistema che è inizialmente in quiete (ingresso ed uscita nulli) e che viene sollecitato da un ingresso non nullo. Il sistema, senza l'applicazione dell'ingresso non nullo, rimarrebbe indefinitivamente nella condizione di quiete. Introduzione -- 26
Risposta da stato zero, con ingresso zero, completa Risposta da stato zero f x(t) Pos, Vel 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Risposta all`impulso (caso ideale) 0-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Tempo [sec] Palla inizialmente in quiete (v 0 = 0), sollecitata da una forza impulsiva (piano con attrito non nullo). Introduzione -- 27
Risposta da stato zero, con ingresso zero, completa Risposta con ingresso zero (o risposta libera) Si dice risposta con ingresso zero o risposta libera la risposta y ZI (t) di un sistema che è sollecitato da un ingresso nullo. Se il sistema è inizialmente in quiete (ingresso ed uscita nulli), vi permane per t > t 0, altrimenti vi è una evoluzione dell'uscita. 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 i(t) 0.05 Condensatore inizialmente carico (q(t 0 ) = q 0 0); la variabile di uscita è la corrente i(t) nel circuito. 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tempo [sec] x 10-5 Introduzione -- 28 0.04 0.03 0.02 0.01
Risposta da stato zero, con ingresso zero, completa Risposta completa Si dice risposta completa la risposta di un sistema che si trova inizialmente in condizioni non di quiete ed è sollecitato con ingresso non nullo. E in questo caso necessario conoscere sia l'ingresso applicato che lo stato iniziale in cui si trova il sistema. ESEMPIO: Data una massa m che nell'intervallo [t 0, t 1 ] cade in caduta libera, soggetta alla sola forza di gravità -g, non è possibile in t = t 1 calcolarne la posizione e/o la velocità se non si conoscono la posizione e la velocità iniziali. Introduzione -- 29
Modelli lineari Una funzione f: C C è lineare sse gode delle seguenti proprietà: 1) Additività 2) Omogeneità Un modello dinamico è lineare sse valgono le seguenti tre proprietà: 1) la risposta con ingresso zero è lineare rispetto allo stato iniziale; 2) la risposta da stato zero è lineare rispetto all'ingresso; 3) la risposta completa coincide con la somma della risposta con ingresso zero e della risposta da stato zero: Spesso, l'ipotesi di linearità di un sistema è una approssimazione che si applica considerando opportune limitazioni sugli ingressi e uscite del sistema stesso. In generale infatti i sistemi fisici NON sono lineari, e possono essere considerati tali solo entro opportuni intervalli di `funzionamento'. Introduzione -- 30
Modelli lineari ESEMPIO: Si consideri la risposta completa di un sistema dinamico in cui x 0 = x(t 0 ) è lo stato iniziale. La risposta è somma della risposta con ingresso zero e da stato zero, però il sistema è non lineare poiché la risposta non è lineare né rispetto allo stato iniziale (x 02 ) né rispetto all'ingresso (u 2 ). Introduzione -- 31
Modelli lineari ESEMPIO: Si consideri la risposta completa del sistema dinamico Il sistema è non lineare poichè la risposta non è lineare rispetto all'ingresso (u 2 ). ESEMPIO: Si consideri la risposta completa del sistema dinamico Il sistema è lineare poiché: la risposta è somma della risposta con ingresso zero e da stato zero; la risposta è lineare rispetto allo stato iniziale; la risposta è lineare rispetto all'ingresso. Introduzione -- 32
Modelli lineari Molti sistemi ammettono modelli matematici lineari purché i valori delle variabili non escano da determinati campi. x q 1 z 2 z Si consideri il sistema di figura, costituito da un serbatoio: la portata entrante q 1 è funzione lineare della posizione x dello stelo di una valvola q 1 = K x si suppone che la portata uscente q 2 sia indipendente dal livello z. q 2 Introduzione -- 33
Modelli lineari Il modello matematico del sistema è espresso dall'equazione integrale lineare o, equivalentemente, dall'equazione differenziale (ottenuta derivando rispetto al tempo ambo i membri) in cui z indica il livello dell'acqua nel serbatoio (in m), Z 0 il livello iniziale, q 1 e q 2 le portate entrante e uscente (in mc/sec), A l'area della sezione orizzontale del serbatoio (in mq). Tale modello è evidentemente valido entro i limiti in cui X 1, X 2, Z 1 (=0) e Z 2 rappresentano rispettivamente i valori minimo e massimo della posizione dello stelo della valvola e del livello nel serbatoio. Introduzione -- 34
Modelli lineari Propriet degli effetti Proprietà di sovrapposizione Per i sistemi lineari vale una proprietà molto importante: La sovrapposizione degli effetti. Linearità rispetto allo stato iniziale Questo caratteristica dei sistemi dinamici risulta evidente (ed utile) nello studio dei sistemi nello spazio degli stati. Viene qui citata solo per completezza, ma non verrà utilizzata nel seguito, in quanto si è maggiormente interessati ad una rappresentazione dei sistemi non basata sul concetto di stato. Introduzione -- 35
Modelli lineari Propriet degli effetti Linearità rispetto all'ingresso Proprietà di sovrapposizione Sia dato un sistema inizialmente in quiete. Si applichino (singolarmente) i q ingressi u i (t), i=1,, q, t 0, ottenendo le corrispondenti risposte forzate y ZS,i (t): u(t) Σ y(t) La linearità rispetto all'ingresso implica che se si applica al sistema l'ingresso allora si ottiene l'uscita Introduzione -- 36
Modelli lineari Propriet degli effetti Esempio: Proprietà di sovrapposizione Additività delle risposte Proprietà di additività della risposta libera e della risposta forzata. Introduzione -- 37
CONTROLLI AUTOMATICI Ingegneria della Gestione Industriale e della Integrazione di Impresa http://www.automazione.ingre.unimore.it/pages/corsi/controlliautomaticigestionale.htm SISTEMI E MODELLI FINE Ing. Luigi Biagiotti Tel. 051 20939903 e-mail: luigi.biagiotti@unibo.it http://www-lar.deis.unibo.it/~lbiagiotti