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Ing. Luigi BiagiottiTel. 051 20939903
e-mail: luigi.biagiotti@unibo.ithttp://www-lar.deis.unibo.it/~lbiagiotti
CONTROLLI AUTOMATICIIngegneria della Gestione Industriale e della Integrazione di Impresa
http://www.automazione.ingre.unimore.it/pages/corsi/ControlliAutomaticiGestionale.htm
CONTROLLI AUTOMATICI CONTROLLI AUTOMATICI INTRODUZIONEINTRODUZIONE
Luigi Biagiotti Introduzione -- 2Controlli Automatici
Corso di Controlli AutomaticiCorso di Controlli Automatici• Materiale didattico:
http://www.automazione.ingre.unimore.it
•Testi di riferimento:• G. Marro “Controlli Automatici” – Zanichelli ed.• P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, “Fondamenti di
Controlli Automatici”, Mc Graw-Hill ed.
• Ricevimento: • prima o dopo le lezioni;• previo appuntamento tramite e-mail.
Luigi Biagiotti Introduzione -- 3Controlli Automatici
Controlli Automatici Controlli Automatici –– Argomenti (I)Argomenti (I)• 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
Luigi Biagiotti Introduzione -- 4Controlli Automatici
Controlli Automatici Controlli Automatici –– Argomenti (II)Argomenti (II)• Introduzione al progetto di sistemi di controllo
• definizione delle specifiche• Progetto mediante luogo delle radici
• Regolatori standard • reti correttrici, • PI, PID
Luigi Biagiotti Introduzione -- 5Controlli Automatici
• Significato del termine Controllo• Azione su una macchina, un apparato, un impianto, un
processo per modificarne (migliorarne) il comportamento
• Più antico sistema di controllo:
Uomo
• Alcuni esempi di attività umane dove il controllo è elemento indispensabile
• camminare• suonare il pianoforte • guidare l'automobile• …….
IntroduzioneIntroduzione
Luigi Biagiotti Introduzione -- 6Controlli Automatici
IntroduzioneIntroduzioneEsempi di azioni di controllo eseguite dall'uomo• Controllo (manuale) di temperatura
Luigi Biagiotti Introduzione -- 7Controlli Automatici
IntroduzioneIntroduzioneEsempi di azioni di controllo eseguite dall'uomo• Controllo (manuale) di livello
sistema
Luigi Biagiotti Introduzione -- 8Controlli Automatici
IntroduzioneIntroduzioneEsempi di azioni di controllo eseguite dall'uomo• Controllo (manuale) di velocità
Luigi Biagiotti Introduzione -- 9Controlli Automatici
Controllo in catena apertaControllo in catena aperta(anello aperto, azione diretta)(anello aperto, azione diretta)
azione basata su un modello ed azione basata su un modello ed informazioni inizialiinformazioni iniziali
IntroduzioneIntroduzione• Considerazioni riassuntive
Luigi Biagiotti Introduzione -- 10Controlli Automatici
sistema Controlli in retroazioneControlli in retroazione(catena chiusa, anello chiuso)(catena chiusa, anello chiuso)
azione basata su azione basata su un modello eun modello e
su informazioni su informazioni continuecontinue
dal sistemadal sistema
IntroduzioneIntroduzione• Considerazioni riassuntive
Luigi Biagiotti Introduzione -- 11Controlli Automatici
il sistema da controllare (impianto)
l’attuatore
+ - √, α∑, > ε
l’algoritmo di controllo
l’unità di controllo il sensore
IntroduzioneIntroduzione• Elementi chiave di un sistema di controllo
Luigi Biagiotti Introduzione -- 12Controlli Automatici
il sistema da controllare (impianto)
0010110100
l’algoritmo di controllo
IntroduzioneIntroduzione• Dal Controllo Manuale al Controllo Automatico
l’unità di controllo
il sensorel’attuatore
Ingegneria eTecnologie dei Sistemi di Controllo
ControlliAutomatici
specificaspecifica
Controllo della temperaturaControllo della temperatura
Analisi
Sintesi
Luigi Biagiotti Introduzione -- 13Controlli Automatici
Settori applicativi dell'Ingegneria del ControlloSettori applicativi dell'Ingegneria del Controllo• Settori dell'Ingegneria
• Impianti chimici, macchine ed impianti meccanici, robotica, industria aeronautica, spaziale…..
• sistemi per la produzione, il trasporto e la gestione della energia, per il controllo del traffico (aereo, stradale, ...)
• apparati elettronici, elettromeccanici e di telecomunicazione• sistemi di trasporto (automobile, treni), elettrodomestici, domotica,
…...
• Altri settori• economia e finanza• sistemi sociali e politici• ambiente e territorio
• medicina e biologia, …..
Luigi Biagiotti Introduzione -- 14Controlli Automatici
Cenni storiciCenni storici• Le origini del controllo
• l'uomo ha sempre tentato di costruire sistemi il cui comportamento fosse migliorato da un sistema di controllo
• l'approccio è stato empirico ed inventivo fino alla metà del IXX secolo
tem
po
orologio ad acquaKtesibios 300 a.c.
Luigi Biagiotti Introduzione -- 15Controlli Automatici
Cenni storiciCenni storici• Esempio famoso: motore a vapore di J. Watt (1798 ca), con controllo
automatico
Controllo automaticodella velocità
Luigi Biagiotti Introduzione -- 16Controlli Automatici
Cenni storiciCenni storiciLe origini del controllo
• nella seconda metà del XIX secolo J. C. Maxwell e I. A. Vyshnegradskii formularono indipendentemente le prime teorie del controllo basate su modelli descritti da equazioni differenziali
• nella prima metà del XX secolo gli sviluppi della teoria del controllo proseguirono in modo differenziato nei paesi occidentali ed in Unione Sovietica
a partire da motivazioni ingegneristiche all'ovestsu basi prettamente matematiche all'est
• pietra miliare dello sviluppo ingegneristico della moderna teoria del controllo è l'amplificatore in retroazione negativa (Black, 1927)
sviluppi teorici sullo studio della stabilità di Nyquist 1932, Bode 1940
Luigi Biagiotti Introduzione -- 17Controlli Automatici
Cenni storiciCenni storiciI Controlli Automatici divennero una vera e propria disciplina ingegneristica a partire dagli anni 40' • Impulsi allo sviluppo dei Controlli Automatici
la seconda guerra mondialeautopiloti per aerei, sistemi di puntamento per cannoni, per radar,…
lo sviluppo dei calcolatori elettronici (primi anni 50')rese applicabili molte teorie già sviluppate sul piano formale
la conquista dello spazio (anni 60' e 70')fu possibile per la disponibilità di sofisticati sistemi di controllo
lo sviluppo dei microprocessori (seconda metà degli anni 70') e dei DSP (seconda metà degli anni 80')
diffusione generalizzata dei sistemi di Automazione Industriale introduzione di sistemi di controllo in una moltitudine di apparati anche al di fuori delle applicazioni industriali
Luigi Biagiotti Introduzione -- 18Controlli Automatici
Situazione attuale e prospettive di sviluppoSituazione attuale e prospettive di sviluppoSofisticati sistemi di controllo sono presenti in tutti i sistemi militari, industriali, civili• applicazioni in settori ingegneristici non industriali
autoveicoligià oggi ci sono decine di sistemi di controllo:
servosterzo, servofreno, ABS, controllo di assetto, controllo dell'iniezione, fasatura variabile, …..
In prospettiva si arriverà a centinaia di sistemi di controllo
elettronica di consumomacchine fotografiche, videocamere, telefoni cellularilettori di CD, DVD, periferiche per computer
elettrodomesticilavatrici, lavastoviglie, frigoriferi,..
domoticacontrollo remoto delle attività domestiche (favorito dallo sviluppo dei sistemi di comunicazione)
Luigi Biagiotti Introduzione -- 19Controlli Automatici
Situazione attuale e prospettive di sviluppoSituazione attuale e prospettive di sviluppo• Aree di sviluppo in settori non ingegneristici• apparecchiature biomediche• sistemi biologici• ambiente e territorio• sistemi socio-economici• mercati finanziari• marketing
Luigi Biagiotti Introduzione -- 20Controlli Automatici
TerminologiaTerminologia• Sistema• insieme costituito da più parti (sottosistemi) tra loro
interagenti di cui si vuole indagare il comportamentoastrazione di comodo
• Sistema fisico• insieme complesso costituito da elementi materiali
circuito elettrico, macchina meccanica, impianto chimico, bacinoidrico, 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
Luigi Biagiotti Introduzione -- 21Controlli Automatici
TerminologiaTerminologia• Esempi di sistemi
I sistemi reali sono in generale collegati I sistemi reali sono in generale collegati con il resto del mondocon il resto del mondo
aereo supersonicoSottosistemi:reattore, ali, flaps,pressurizzazione,...
automobile sportivaSottosistemi:motore, sospensioni, freni, ...
I sottosistemi sono a loro volta sistemi: dipende dal livello diI sottosistemi sono a loro volta sistemi: dipende dal livello didettaglio della analisi svoltadettaglio della analisi svolta
Luigi Biagiotti Introduzione -- 22Controlli Automatici
TerminologiaTerminologia• Collegamento • interazione del sistema con il resto del mondo
• Classificazione dei collegamenti con il mondo esterno• 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)
• usciterisultati esterni (effetti) delle azioni e dell'evoluzione temporale del sistema dovuta a condizioni iniziali
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.
Luigi Biagiotti Introduzione -- 23Controlli Automatici
TerminologiaTerminologia• Esempi di orientamento
qual'è l'ingresso ?qual è l'uscita?
Dipende dalla scelta del progettista ciascuna delle due Dipende dalla scelta del progettista ciascuna delle due variabili i(t) e v(t) può assumere entrambi i ruolivariabili i(t) e v(t) può assumere entrambi i ruoli
La coppia erogata dal motore èun ingresso o una uscita ?Per l'intero veicolo è un ingressoper il sottosistema motore è una uscita
In un sistema complesso alcune uscite di sottosistemiIn un sistema complesso alcune uscite di sottosistemisono ingressi di altri sottosistemi.sono ingressi di altri sottosistemi.
i(t)
v(t)
Luigi Biagiotti Introduzione -- 24Controlli Automatici
TerminologiaTerminologia• Ingressi di controllo e di disturboEs. riscaldamento dell'aula
Ingresso di controlloIngresso di controllopotenza termica immessa dai radiatori
Ingressi di disturboIngressi di disturbotemperatura esterna
UscitaUscitatemperatura della stanza
Irraggiamento solare
potenza termica generata dalla persone
Luigi Biagiotti Introduzione -- 25Controlli Automatici
TerminologiaTerminologia• 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 una attività
di semplice osservazionein termine tecnico: monitoraggio
• Controllo Automatico• azione di controllo esplicata automaticamente da una macchina
Luigi Biagiotti Introduzione -- 26Controlli Automatici
TerminologiaTerminologia• Modello
• rappresentazione (fisica o astratta) approssimata di un sistema costruita per uno scopo
per un sistema possono essere costruiti infiniti modelli
• riproduce solo i comportamenti e le proprietà che interessano
• Segnale• grandezza fisica o astratta associata per comodità di manipolazione
ad una grandezza fisicaad una grandezza fisica possono essere associati infiniti segnali
• riproduce solo i comportamenti e le proprietà che interessanodi 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
Luigi Biagiotti Introduzione -- 27Controlli Automatici
TerminologiaTerminologia• Tipologie di modello• fisico
in scala, ..per lo studio del comportamento
• comportamentaledescrizione a parole, ..
per la comprensione del sistemaper il progetto di semplici sistemi di controllo
• descrittivoschemi, disegni, ..
per il progettoper la costruzione
Luigi Biagiotti Introduzione -- 28Controlli Automatici
TerminologiaTerminologia• Tipologie di modello
• matematicosistemi di equazioni (differenziali)
per la formalizzazione di leggi fisicheper lo studio al calcolatore del comportamento (simulazione)per la previsioneper il controllo
Luigi Biagiotti Introduzione -- 29Controlli Automatici
SistemiSistemi e e ModelliModelli• Modello matematico: Descrizione della struttura e dell'evoluzione del sistema
mediante simboli matematici. Le grandezze caratteristiche di un sistema sono classificate come:
• parametri, che descrivono la struttura fisica e sono solitamente costanti: valore di una resistenza, massa di una trave, caratteristiche geometriche di un robot, ...
• variabili, che 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, ...
• 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.
v(t) = R i(t) R parametro
v(t), i(t) variabili
Luigi Biagiotti Introduzione -- 30Controlli Automatici
SistemiSistemi e e ModelliModelli• Modelli da leggi fisiche: legge di Ohm, legge di Newton, legge di Boyle, ... relazioni
matematiche che interpretano determinate relazioni di causa-effetto in sistemi fisici, e che derivano da sintesi di teorie o da congetture;
• Modelli “black-box”: per sistemi particolarmente complessi (economici, sociali, ambientali, ...) non sono definite regole matematiche di comportamento. In questi casi sono definiti modelli matematici basati sull'osservazione dei soli dati sperimentali (scatola nera: si ignora il contenuto della scatola).
Sistema ≠ Modello!
• Ad uno stesso sistema è possibile associare più di un modello, in base sia al particolare problema che si deve risolvere sia al tipo di precisione che si intende raggiungere.
Ogni modello è una descrizione approssimataapprossimata di un dato sistema.
• Comunemente, si intende con il termine sistema sia il sistema fisico vero e proprio, sia il modello matematico con il quale viene descritto.
Luigi Biagiotti Introduzione -- 31Controlli Automatici
TerminologiaTerminologia• Tipologie di segnale
• fisicograndezze fisiche il cui comportamento riproduce (in parte) quello della grandezza di interesse ma la cui manipolazione risulta possibile o più agevole con la tecnologia disponibile
è opportuno che la natura fisica dei segnali utilizzati in un sistema di controllo sia congruente con quella del dispositivo utilizzato per implementare il controllo stessotipicamente: elettrico, pneumatico, idraulico
• astrattograndezza concettuale che riproduce (in parte) il solo contenutoinformativo della grandezza fisica di interesse
variabile o funzione in un sistema di equazionicontenuto di memoria in un calcolatore elettronico
Luigi Biagiotti Introduzione -- 32Controlli Automatici
Introduzione al ControlloIntroduzione al ControlloElementi 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 controllato4. progettare un algoritmo di controllo basato sul modello del sistema,
sui segnali disponibili e sulle specifichegli algoritmi di controllo che si imparano a progettare nei vari corsi di Controlli Automatici sono, in realtà, il modello del sistema di controllo (vero) da costruire
5. verificarne il comportamento mediante tecniche di simulazione6. realizzare il sistema fisico che implementa il controllo
corso di Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo
Luigi Biagiotti Introduzione -- 33Controlli Automatici
grandezzefisiche
ingressigrandezze
fisiche
uscite
sistema
grandezzefisiche
stati
segnalesegnalemodellomodello
algoritmoalgoritmo
segnalesegnale
Controlli Automatici
Introduzione al ControlloIntroduzione al Controllo• Concettualizzazione a blocchi
specifiche
Luigi Biagiotti Introduzione -- 34Controlli Automatici
Introduzione al ControlloIntroduzione al Controllo•Schema a blocchi di un sistema di controllo
interfaccia impiantoregolatoreSpecifica
sensoreinterfaccia
attuatore
Calcolatore
HwSw
Segnaliastratti
Segnalifisici
Grandezzefisiche
Sistema di controllo
Luigi Biagiotti Introduzione -- 35Controlli Automatici
Introduzione al ControlloIntroduzione al Controllo•Schema tecnologico di un sistema di controllo
Sensori
N
Unità di controllo
Attuatori
AD1001
Impianto
1A
1001D
Luigi Biagiotti Introduzione -- 36Controlli Automatici
Introduzione al ControlloIntroduzione al Controllo• Progetto di un sistema di controllo• definizione delle specifiche
obiettivi da conseguirequalità del controllocosto.....
• Modellazione del sistemascelta del dettagliodefinizione degli ingressidefinizione delle uscitetipologia di rappresentazione"costruzione" del modellovalidazione mediante simulazione
Luigi Biagiotti Introduzione -- 37Controlli Automatici
• Progetto di un sistema di controllo• analisi del sistema
studio delle proprietàverifica di fattibilità delle specifiche di controllo
• sintesi della legge di controllobasata sul modelloverifica delle proprietà del sistema controllatovalutazione della complessità e stima del carico computazionale
• simulazione del sistema controllatocondizioni idealicondizioni realistiche
modello impianto più complessoquantizzazione delle grandezze, ritardi di calcolo, disturbi di misura
Introduzione al ControlloIntroduzione al Controllo
Luigi Biagiotti Introduzione -- 38Controlli Automatici
• Progetto di un sistema di controllo• introduzione degli elementi tecnologici
sensori, attuatoricatena di acquisizione ed attuazionedispositivo di elaborazione
• sperimentazioneprototipazione rapida
verifica delle specifichestima del costo
costruzione di un prototipo definitivoingegnerizzazioneproduzione in serie
Introduzione al ControlloIntroduzione al Controllo
Luigi Biagiotti Introduzione -- 39Controlli Automatici
Motivazioni del ControlloMotivazioni del ControlloControllare significa agire sull'impianto per modificarne il comportamento
• Esempio: Controllo della temperatura di una stanza• perché controllo
condizioni operative variabilitemperatura esternairraggiamento solarenumero di persone
specifiche variabilitemperatura interna desiderata che varia in funzione della presenza in casa
Luigi Biagiotti Introduzione -- 40Controlli Automatici
Motivazioni del ControlloMotivazioni del Controllo• Controllo della temperatura di una stanza 1• Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti
delle condizioni operative variabilispessore delle paretirivestimento delle paretiesposizione delle stanzeforma e dimensioni delle finestre
• Politica di gestioneabbigliamento dei proprietarichiusura dei vetri d'invernochiusura delle persiane durante il giorno d'estateapertura delle finestre durante la notte
• Ottimizzazione dell'impianto• basata su un modello
Luigi Biagiotti Introduzione -- 41Controlli Automatici
Motivazioni del ControlloMotivazioni del Controllo• Controllo della temperatura di una stanza 2• Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti
delle condizioni operative variabilicome prima +predisposizione di camini e stufe
• Politica di gestioneabbigliamento dei proprietarigestione delle finestre d'estate
• Azione di controlloaccensione dei camini e delle stufe d'inverno
immissione di una quantità predefinita di energia
• Controllo in catena aperta• basata su un modello ed una stima delle condizioni
operativeLuigi Biagiotti Introduzione -- 42Controlli Automatici
Motivazioni del ControlloMotivazioni del Controllo• Controllo della temperatura di una stanza 3• Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti
delle condizioni operative variabilicome prima, ma meno curata +predisposizione di impianto di riscaldamento e condizionamento
• Politica di gestioneabbigliamento dei proprietari (meno attento)
• Azione di controlloaccensione dell'impianto e predisposizione della centralina
immissione di una quantità di energia funzione della temperatura interna ed esterna e delle specifiche
• Controllo in retroazione• basata su un modello, sulla misura dell'obiettivo
(temperatura interna) e delle condizioni operative
Luigi Biagiotti Introduzione -- 43Controlli Automatici
Motivazioni del ControlloMotivazioni del Controllo• Esempio• Sospensione dell'automobile
perché controllocondizioni operative variabili
numero di personerettilineo/curvatipo di tracciato e di asfalto
specifiche variabilicorsa su pistarallyguida in cittàguida confortevole in autostrada
Luigi Biagiotti Introduzione -- 44Controlli Automatici
Motivazioni del ControlloMotivazioni del Controllo• Sospensione tradizionale (senza controllo)
Elementi in giocoMv = massa del veicoloMr = Massa della ruotaS = SospensioneA = Ammortizzatore
Lo scopo è garantire: - la tenuta di strada ed il confort⇒ h costantemediante la scelta (taratura) di: S ⇒ accumulatore di energia
(forza posizionale)A ⇒ dissipatore di energia
(forza dinamica)Problemi:- specifiche in contrasto- condizioni operative variabili
(passeggeri, tipo di strada, ..)⇒ soluzione di compromesso
valida in condizioni nominali
Mr
AS
h
Mv
Luigi Biagiotti Introduzione -- 45Controlli Automatici
Motivazioni del ControlloMotivazioni del Controllo• Sospensione con controllo (Sospensione attiva)
Mv
Elementi in giocoMv = massa del veicoloMr = Massa della ruotaS = SospensioneA = AmmortizzatoreSe = serbatoio energ. At = attuatore
Lo scopo è garantire: - la tenuta di strada ed il confort⇒ h costantemediante 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 condizioniSvantaggi:costi
Mr
AS
h
AttSerb.
Azione di controllo
Luigi Biagiotti Introduzione -- 46Controlli Automatici
Motivazioni del ControlloMotivazioni del Controllo• Alcune considerazioni• Gli esempi mostrano che
è 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 F1il 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 esternairraggiamentosalita/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
Ing. Luigi BiagiottiTel. 051 20939903
e-mail: luigi.biagiotti@unibo.ithttp://www-lar.deis.unibo.it/~lbiagiotti
CONTROLLI AUTOMATICIIngegneria della Gestione Industriale e della Integrazione di Impresa
http://www.automazione.ingre.unimore.it/pages/corsi/ControlliAutomaticiGestionale.htm
CONTROLLI AUTOMATICICONTROLLI AUTOMATICIINTRODUZIONEINTRODUZIONE
FINEFINE
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