SISTEMA DI CONTROLLO ORIENTAMENTO PANNELLI SOLARI Lezione 1: User Requirements, Modellizzazione e Identificazione. 1.1 Introduzione: Un cliente ha chiesto la realizzazione di un sistema per l'orientamento automatico di una stringa di pannelli solari in modo da ottimizzare la generazione di energia. In seguito ai dati forniti tramite una intervista al cliente stesso sono emerse alcune richieste informali che poi dovranno essere analizzate, formalizzate e sottoposte alla verifica ed approvazione del cliente. Dopo questo passaggio avremo un documento che denomineremo USER REQUIREMENTS (da ora in poi UR) e che servirà da guida per lo sviluppo del sistema. Gli UR sono fondamentali per procedere in modo sicuro e senza il pericolo di travisare le indicazioni del cliente. Inoltre mettono da parte lo sviluppatore da cambiamenti di programma da parte del cliente stesso. Infatti, pur ammettendo cambiamenti in corso d'opera, poiché essi hanno un costo abbastanza spesso molto alto, deve essere registrato che le indicazioni iniziali fornite erano diverse. 1.2 Richieste del cliente: Le richieste informali del cliente sono che il sistema deve poter funzionare sia su un modellino in scala che sul sistema reale, inoltre i motori devono poter essere gestiti anche manualmente, vi deve essere presente una interfaccia uomo-macchina di tipo grafico. Ancora è richiesto che una volta individuata la posizione ottimale della stringa di pannelli solari verso la sorgente di luce, questa deve essere mantenuta, inseguendola nel tempo. Il sistema di movimentazione prevede n. 2 motori stepper uno per il movimento di ascensione retta ed uno per la declinazione dell'astro da puntare ed inseguire. Niente è stato definito sulla modalità con cui individuare la posizione ottimale e mantenerla per cui possiamo decidere liberamente. Anche i tempi di fornitura devono essere chiaramente definiti per evitare sorprese durante il lavoro. Nel nostro caso il lavoro deve essere collaudo sul modello in scala entro il 30 Aprile 2012. Commission. 1
1.3 Conoscenze e competenze di Teoria dei Sistemi: Allo scopo di formalizzare le specifiche possiamo utilizzare le competenze acquisite durante lo studio di TEORIA dei SISTEMI, particolare occorre richiamare gli argomenti: definizione e classificazione di un sistema, modellizzazione di un sistema, identificazione di un sistema. 1.3.1 Definizione e Classificazione dei Sistemi: Un sistema è un insieme di parti che interagiscono fra loro scambiandosi energia o informazione con uno scopo comune. Molte cose che ci circondano, dalle più semplici alle più complesse possono essere considerate SISTEMI, ad esempio una penna a sfera, un computer, una bicicletta, un cellulare. In generale possiamo pensare che in un sistema ci sono delle CAUSE che provocano degli EFFETTI. Le cause possono essere considerati degli INGRESSI al sistema e gli effetti possono essere pensati come USCITE del sistema stesso. Allora possiamo pensare ad una prima semplice RAPPRESENTAZIONE GRAFICA di un sistema: Ci sono vari modi per classificare i sistemi, in base a quello che ci interessa osservare. Se vogliamo riferirci ai sistemi creati dall'uomo o già esistenti in natura possiamo ad esempio suddividere tutti i sistemi in NATURALI o ARTIFICIALI. Una classificazione invece più utile dal punto di vista tecnico considera invece il COMPORTAMENTO DI UN SISTEMA per quanto riguarda i seguenti aspetti: RELAZIONE CON L'AMBIENTE Un sistema può essere CHIUSO, ossia che non interagisce con un ambiente esterno, da cui è perfettamente e definitivamente isolato. Ovviamente non esistono sistemi realmente chiusi! Se invece un sistema interagisce con l'ambiente in cui si trova allora si parla di sistema APERTO. Lo scambio può riguardare energia, materia, informazione. I sistemi meccanici, elettrici, informatici sono sicuramente aperti. CAPACITA' di RICORDARE Questo aspetto riguarda la capacità di un sistema di immagazzinare energia, informazione o materia che ne alteri il comportamento anche in presenza delle stesse sollecitazioni. Se un sistema ha questa capacità allora si definisce SEQUENZIALE e per esso è possibile definire uno STATO, ossia il sistema ha la capacità di memorizzare per cui la sua uscita dipende non solo dagli ingressi ma dalla sua storia. Un sistema che invece non ha tale capacità è detto COMBINATORIO, per cui la sua uscita dipende solo dalle sollecitazioni ricevute, non importa cosa sia avvenuto in precedenza. Se pensiamo ad un sistema calcolatrice tascabile osserviamo ad esempio che il risultato di una certa operazione Commission. 2
algebrica sarà sempre lo stesso. Se invece osserviamo un sistema ascensore possiamo capire che l'effetto che si ottiene premendo sempre lo stesso pulsante interno o anche esterno, dipende dal piano al quale l'ascensore si trova. RELAZIONE DETERMINISTICA o ALEATORIA fra CAUSE ed EFFETTI Se è possibile prevedere in modo sicuro e ripetitivo gli effetti di determinate sollecitazioni, anche in presenza di stati, allora il sistema si può definire DETERMISTICO. Ad esempio l'ascensore è un sistema deterministico perché certo non inventa il suo comportamento in modo imprevedibile (a meno che non sia il protagonista diun film horror! Invece una sfera da cui estrarre i numeri di una lotteria è un sistema in cui volutamente NON deve essere possibile prevederne l'uscita. Anche una semplice moneta che venga lanciata può essere classificato come sistema non prevedibile, ossia ALEATORIO. STABILITA' DELLA STRUTTURA FISICA DEL SISTEMA Una volta costruito o individuato un sistema possiamo chiederci se la sua struttura fisica sia o meno stabile. Ad esempio un missile usato per mettere in orbita satelliti cambia la sua struttura durante il suo funzionamento stesso, ossia consuma carburante che fino all'istante del lancio faceva parte integrante della sua struttura. Un forno da cucina invece mantiene, teoricamente, inalterata la sua struttura e così anche un ascensore. Diciamo teoricamente perché nella realtà tutte le cose si usurano e quindi anche le parti di un sistema. VARIAZIONE DEGLI INGRESSI e/o USCITE NEL TEMPO Se un sistema non ha alcuna evoluzione mentre lo osserviamo allora può essere definito STATICO ma in realtà questo dipende dal tempo per cui lo guardiamo. Le montagne ad esempio sembrano statiche ma sappiamo che tutta la crosta terrestre si sposta nel corso dei millenni. Un sistema che invece ha delle sollecitazioni e degli effetti che variano nel tempo di osservazione si definisce DINAMICO, come la maggior parte dei sistemi a cui siamo interessati nella tecnologia. TIPO DI GRANDEZZE FISICHE PRESENTI NEL SISTEMA In un sistema possono essere presenti grandezze che variano con continuità, tipo la temperatura di un corpo umano, oppure possono esserci sollecitazioni ed effetti che hanno comunque un numero finito di valori che possono assumere. Riprendendo l'esempio dell'ascensore possiamo capire che i piani possibili su sui può andare sono finiti, e così anche il tipo di movimento che può fare. Definiamo allora DISCRETI i sistemi che hanno a che fare con grandezze che hanno un numero finito di valori che possono assumere. Definiamo invece CONTINUI i sistemi che hanno grandezze con un numero infinito di valori. Impareremo in seguito che un elaboratore elettronico NON può gestire grandezze continue in quanto ha una memoria FINITA! Commission. 3
1.3.2 Modellizzazione di un SISTEMA: Nella tecnologia si considera un sistema perché si vuole studiare, controllare, modificare o altro ma spesso un sistema reale è troppo complesso per poterlo trattare così com'è fisicamente ed allora si ricorre alla creazione di un MODELLO, ossia alla rappresentazione SEMPLIFICATA del sistema stesso. La semplificazione riguarderà ovviamente gli aspetti che non ci interessa trattare mentre manterremo le caratteristiche significative dal nostro punto di vista, ossia del CONTESTO in cui vogliamo lavorare con il sistema. In modo formale possiamo dire che: Il modello è una rappresentazione semplificata di un sistema fisico, allo scopo di semplificare lo studio e l'analisi delle sue caratteristiche più significative, dato il contesto in cui lo poniamo Anche i modelli possono essere classificati in base a criteri. In particolare considerando lo scopo del modello, possiamo parlare di : Modello DESCRITTIVO E' un modello che DESCRIVE il sistema, fotografandolo completamente, senza interessarsi però a quello che fa e a come lo fa. Modello PREDITTIVO In questo caso il modello si occupa di descrivere ciò che il sistema FA, senza interessarsi di come sia fatto il sistema stesso o di come faccia a fare quello che fa. Modello PRESCRITTIVO Nel modello prescrittivo invece si prende in considerazione COME viene realizzato ciò che il sistema fa, senza interessarsi alla sua struttura. Oppure, se consideriamo la natura del modello, possiamo parlare di Modello SIMBOLICO Se si riesce a rappresentare il modello in modo ASTRATTO, matematico, formale, allora il modello si definisce simbolico. Ovviamente non sempre si può avere un modello simbolico, considerata la grande complessità di molti sistemi, sia naturali che artificiali. Modello ANALOGICO In questo modello ci si basa sulla caratteristica di avere un comportamento SIMILE al sistema reale oggetto di studio. Commission. 4
1.3.3 Identificazione di un SISTEMA Come modello visivo per concretizzare un modello di un sistema, si può usare uno schema blocchi, in cui un rettangolo interagisce con delle frecce che entrano e che escono. Questo strumento predilige comunque l'aspetto funzionale del sistema piuttosto che quello strutturale, ossia consente di capire bene quello che fa il sistema ma poco di come è costruito il sistema stesso. Se introduciamo anche i DISTURBI di un sistema, definiti come sollecitazioni non volute che comunque comportano degli effetti, ed i PARAMETRI, che sono caratteristiche costruttive e invarianti, almeno durante il tempo di osservazione, possiamo rappresentare un sistema come segue: DISTURBI INGRESSI USCITE PARAMETRI In modo rigoroso possiamo definire: INGRESSI Grandezze variabili INDIPENDENTI, che possiamo modificare volontariamente. USCITE Grandezze variabili DIPENDENTI, che cambiano come conseguenza dei valori degli INGRESSI. DISTURBI Variabili INCONTROLLABILI che fanno sentire il loro effetto. PARAMETRI Entità o grandezze che restano COSTANTI per tutto il periodo di osservazione. L'attività di individuare in modo chiaro, completo e preciso le entità della tabella prende il nome di IDENTIFICAZIONE del sistema ed è una fase essenziale per poter modellare e studiare un sistema. Commission. 5