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Introduzione al corso

Prof. Cesare Fantuzzi

Ing. Cristian Secchi

Ing. Federica Ferraguti

ARSControl - DISMI - Università di Modena e Reggio Emilia

E-mail: {nome.cognome}@unimore.it

http://www.arscontrol.org/teaching

Controlli Automatici Introduzione 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

http://www.mathworks.it/help/pdf_doc/matlab/getstart.pdf

Ricevimento e quesiti

via e-mail: {nome.cognome}@unimore.it

Inserire in oggetto la stringa [CA-GEST] per filtro anti-spam


http://www.mathworks.it/help/pdf_doc/matlab/getstart.pdf


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: http://www.esse3.unimore.it

Tesi di laurea

Sono disponibili tesi di laurea presso il laboratorio di Automazione,Robotica e Controllo dei Sistemi oppure stage in azienda su progetti diinnovazione e trasferimento tecnologico nei settori della robotica e deicontrolli automatici.

Elenco aggiornato delle tesi disponibili: http://www.arscontrol.org/theses

http://www.esse3.unimore.it/

http://www.arscontrol.org/theses


Programma del corso 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


Introduzione all’automazione industrialeL’automazione industriale è l’insieme di metodologie (teoria del controlloautomatico) e tecnologie (meccaniche, elettriche, elettroniche, informatiche)che permettono l’automatizzazione di processi produttivi al fine di farcompiere 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


L’automazione industriale è solo uno degli aspetti dell’automazione

Introduzione all’automazione industriale

Manipolazione Robotica umanoide

Automotive

Robotica mobile Chirurgia robotica

Aerospace


Un importante capitolo della scienza dell’automazione è costituito dalladisciplina denominata controlli automatici.

Studio dei dispositivi (detti regolatori, controllori o dispositivi di controllo)mediante i quali si fanno variare automaticamente le grandezze liberamentemanipolabili di un sistema (detto sistema controllato) in modo che subiscal’evoluzione nel tempo migliore possibile.

La maggiore o minore «bontà» dell’evoluzione del sistema nel tempo vienevalutata con criteri che sono di volta in volta specificati e sui quali si basa ilprogetto dei dispositivi di controllo.

Introduzione al controllo automatico


Esempio di controllo automatico

Introduzione al controllo automatico

Comportamentodesiderato

Sistema dicontrollo

Sensori

Azioni

Attuatori

Impianto

Misure

Energiadominio della

fisica

Segnalidominio del

controllo

L’ automatica studia le azioni daeffettuare in base alle misure.Il sistema di controllo è unsistema per la manipolazionedelle informazioni. Il controllo èstrettamente correlato con leinformazioni.


Introduzione al controllo automaticoElementi fondamentali per il progetto di un sistema di controllo

Occorre:

1. Costruire un modello del sistema (in generale un impianto o unamacchina)

2. Definire i segnali corrispondenti alle grandezze fisiche interessate dalcontrollo

3. Stendere le specifiche di progetto per il sistema controllato

4. Progettare un algoritmo di controllo basato sul modello del sistema, suisegnali disponibili e sulle specifiche Gli algoritmi di controllo che si imparano a progettare nei corsi di Controlli Automaticisono, 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


Introduzione al controllo automaticoEsempio: Controllo della temperatura

Unità dicontrollo

Attuatore

Sensore

Specifica

Sistema da controllare(impianto)

Algoritmo di controllo0010110100

CONTROLLIAUTOMATICI

CONTROLLO DISISTEMI DIGITALI

Analisi

Sintesi


Introduzione al controllo automaticoConcettualizzazione a blocchi

grandezze fisiche

SISTEMA

grandezze fisiche

grandezze fisiche

INGRESSI

STATI

USCITE

segnale

modello

algoritmo

segnale

CONTROLLI AUTOMATICI

specifiche

specifiche


Introduzione al controllo automaticoSchema a blocchi di un sistema di controllo

Regolatore Interfaccia

Segnali astratti

Attuatore Impianto

Grandezze fisiche

Segnalifisici

Interfaccia SensoreCalcolatore

Sistema di controllo

Specifica

Sw

Hw


Introduzione al controllo automaticoSchema tecnologico di un sistema di controllo

AD1001

1A

1001D

Sensori

AttuatoriImpianto

Unità di controllo

N


Terminologia• Sistema

Insieme costituito da più parti (sottosistemi) tra loro interagenti di cui si vuoleindagare 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


TerminologiaEsempi di sistemi

• AEREO SUPERSONICO

Sottosistemi: reattore, ali, flaps, pressurizzazione, …

• AUTOMOBILE SPORTIVA

Sottosistemi: motore, sospensioni, freni, …

I sottosistemi sono a loro volta sistemi: dipende dal livello di dettagliodell’analisi svolta.

I sistemi reali sono in generale collegati con il resto del mondo


Terminologia• Collegamento

Interazione del sistema con il mondo esterno

Ingressi

Azioni che il resto del mondo effettua sul sistema. In generale sono in grado di modificarne ilcomportamento

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 acondizioni iniziali

Sistema giuridico, sistema universitario, sistema sociale, …

In molti casi l’attribuzione ad un collegamento della natura di ingresso o diuscita è arbitrariamente fatta dal progettista per sua convenienza o scelta


TerminologiaEsempi di orientamento

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 ouna uscita?

Per l’intero veicolo è un ingresso, per il sottosistema motore è un’uscita

In un sistema complesso, alcune uscite di sottosistemi sono ingressi di altrisottosistemi.

𝑖(𝑡)

𝑣(𝑡)


TerminologiaIngressi di controllo e di disturbo

Esempio: Riscaldamento dell’aula

• Ingresso di controllo Potenza termica immessa dai radiatori

• Uscita Temperatura della stanza

• Ingressi di disturbo Temperatura esterna

Irraggiamento solare

Potenza termica generata dalle persone


Terminologia• Sistemi autonomi Non possiedono ingressi

La loro evoluzione temporale non dipende dal resto del mondo

Non si possono controllare

• Controllo

Azione su un sistema per imporgli comportamenti desiderati.

ATTENZIONE! Talora in italiano il termine «Controllo» è usato per indicare unaattività di semplice osservazione (in termine tecnico: monitoraggio)

Controllo Automatico

Azione di controllo esplicata automaticamente da una macchina


Terminologia• Modello

Rappresentazione (fisica o astratta) approssimata di un sistema costruita peruno 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 unagrandezza fisica. Ad una grandezza fisica possono essere associati infiniti segnali

Il segnale riproduce solo i comportamenti e le proprietà che interessano. Di solito non haassociata una potenza

Tensione senza corrente, velocità senza forza, …

Modelli e segnali sostituiscono i corrispondenti sistemi e grandezze fisichenelle manipolazioni formali.


TerminologiaModello Matematico

Descrizione della struttura e dell’evoluzione del sistema mediante simbolimatematici. 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, livellodi 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.


Progetto di un sistema di controllo1. 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

Verifica delle proprietà del sistema controllato valutazione della complessità e stima del carico computazionale


Progetto di un sistema di controllo4. 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

Produzione in serie


Motivazioni del controlloControllare 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


Motivazioni del controlloOttimizzazione dell’impianto

Basata su un modello

• Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti delle condizionioperative 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


Motivazioni del controlloControllo in catena aperta

Basata su un modello ed una stima delle condizioni operative


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


Motivazioni del controlloControllo in retroazione

Basata su un modello, sulla misura dell’obiettivo (temperatura interna) edelle condizioni operative


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


Motivazioni del controlloEsempio: Sospensione dell’automobile

• 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

Motivazioni del controlloSospensione tradizionale

(senza controllo)

• Elementi in gioco 𝑀𝑣 Massa del veicolo

𝑀𝑟 Massa della ruota

𝑆 Sospensione

𝐴 Ammortizzatore

• Lo scopo è garantire la tenuta distrada ed il confort

ℎ costante

mediante la scelta (taratura) di 𝑆 Accumulatore di energia

(forza posizionale)

𝐴 Dissipatore di energia

(forza dinamica)

• Problemi: Specifiche di contrasto

Condizioni operative variabili

(passeggeri, tipo di strada, …)

Soluzione di compromesso valida incondizioni nominali

Introduzione 29

𝑀𝑟

𝐴𝑆

ℎ

𝑀𝑣

Controlli Automatici

Motivazioni del controlloSospensione attiva

(con controllo)

• Elementi in gioco 𝑀𝑣 Massa del veicolo

𝑀𝑟 Massa della ruota

𝑆 Sospensione

𝐴 Ammortizzatore

𝐴𝑡 Attuatore

𝑆𝑒𝑟𝑏 Serbatoio

• Lo scopo è garantire la tenuta distrada ed il confort

ℎ costante

mediante azione intelligente e

continua su 𝐴𝑡 Scambiatore di energia con 𝑆𝑒𝑟𝑏

• Vantaggi: Cambiamento della strategia di azionenelle diverse condizioni

Soluzione ottimizzata valida in tutte lecondizioni

• Svantaggi: Costi

Introduzione 30

𝑀𝑟

𝐴𝑆

ℎ

𝑀𝑣

Serb.

Azione di controllo

𝐴𝑡


Motivazioni del controlloGli 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 Pandaper 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 lapredisposizione di un modello dell’impianto

prof. cesare fantuzzi ing. cristian secchi ing. federica ... · controlli automatici introduzione 7...

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