Prof. Claudio Melchiorri DEIS-Università di Bologna Tel ... · e-mail: [email protected] ... apparati elettronici, ... lo sviluppo dei calcolatori elettronici (primi anni

Prof. Claudio Melchiorri

DEIS-Università di Bologna

Tel. 051 2093034

e-mail: [email protected]

http://www-lar.deis.unibo.it/people/cmelchiorri

CONTROLLI AUTOMATICI LS CONTROLLI AUTOMATICI LS INTRODUZIONEINTRODUZIONE

CONTROLLI AUTOMATICI LSIngegneria Informatica

Claudio Melchiorri Controlli Automatici L-S A.A. 2008/2009

2Controlli Automatici LSControlli Automatici LS

Orario (13/10 – 05/12):

LAB 1LAB 116-17

LAB 15.7 E15-16

LAB 117-18

5.7 E

5.7 L

5.7 Q

Lunedì

5.7 L14-15

5.7 L13-14

12-13

11-12

5.6 E10-11

5.6 L09-10

VenerdìGiovedìMercoledìMartedì

Esami:11 dicembre 2008 – ore 14:00, aule 6.1 e 6.214 gennaio 2009 – ore 14:00, aule 6.1 e 6.2



Finalità del Corso

Il corso ha lo scopo di fornire:conoscenze di base sui sistemi di controllo “digitale”gli strumenti fondamentali per l’analisi e la sintesi di sistemi di controllodi sistemi multivariabilialcune conoscenze necessarie alla realizzazione di sistemi di controlloin ambienti real-time

Verranno presentati:tecniche di realizzazione di algoritmi di controllo a tempo discretogli strumenti matematici necessari allo studio dei sistemi e allacomprensione delle loro proprietà principalialcune tecniche di controllo per sistemi multivariabili


4Controlli Automatici LSControlli Automatici LSEsercitazioniEsercitazioni al calcolatore in ambiente Matlab/Simulink (Scilab)e RTAI-Linux

Dr. Ing. Gianluca Palli- [email protected] http://www-lar.deis.unibo.it/people/gpalli

Dr. Ing. Gianni Borghesan- [email protected] http://www-lar.deis.unibo.it/people/gborghesan

Modalità di esame:1. Redazione di una relazione sulle esercitazioni svolte (tesina)2. Prova scritta3. Discussione



Conoscenze pregresse: Controlli automatici L-A e L-B,Analisi matematica L-A, L-B, Matematica applicata, Geometria e algebra L-A, conoscenze di Fisica, Elettrotecnica, Elettronica.

Testi consigliati:Dispense ed appunti su: http://www-lar.deis.unibo.it/people/cmelchiorri/

R. Carloni, C. Melchiorri, G. Palli, Esercizi di controlli automaticie teoria dei sistemi, Esculapio Ed. Bologna, 2008.

G. Marro, Teoria dei sistemi e del controllo, Zanichelli, 1998.

G. Marro, Controlled and Conditioned Invariants in Linear System Theory (traduzione in inglese del precedente).

G. Marro, Modellistica e controllo dei sistemi multivariabili, dispense su altri argomenti trattati nel corso, disponibili in pdf sul sito web del Prof. Marro.

C. Bonivento, C. Melchiorri, R. Zanasi, Sistemi di controllo digitaleEsculapio Ed., Bologna


6Controlli Automatici LSControlli Automatici LSProgramma

1. Sistemi “tempo discreto”. (cenni) Realizzazione su elaboratore digitale delle leggi di controllo. Tipologie di segnale. Convertitori AD/DA. Ricostuzione di segnali. Teorema di Shannon. Equazioni alle differenze. Trasformate Z.

2. Lo spazio degli stati. Concetti fondamentali. Esempi di sistemi dinamici. La soluzionenumerica delle equazioni differenziali. Controllo ed osservazione. I principali problemi dellateoria dei sistemi e del controllo.

3. I sistemi lineari. Sistemi tempo-continuo lineari non stazionari. Sistemi tempo-continuo lineari stazionari. Estensioni ai sistemi tempo-discreto. I sistemi campionati nello spazio deglistati.

4. Proprietà dei modelli lineari stazionari. Controllabilità e osservabilità. Sistemi equivalentie realizzazioni. Alcune realizzazioni canoniche. Relazioni fra la rappresentazione dei sistemidinamici lineari stazionari nello spazio degli stati e con matrici di trasferimento. Significato deglizeri nello spazio degli stati. Allocazione degli autovalori con retroazione dallo stato. Sintesidegli osservatori. Allocazione degli autovalori con retroazione dalle uscite.

5. Analisi della stabilità. Il primo metodo e il metodo diretto di Lyapunov. Funzioni definite positive e funzioni di Lyapunov. Cicli limite. Stabilità dei sistemi lineari non stazionari.

6. Controllo ottimo. Le equazioni matriciali di Sylvester e di Lyapunov. Norme di segnali e sistemi. Il controllo ottimo in retroazione. Regolazione ed inseguimento ottimi a orizzonteinfinito con retroazione dello stato. Equazione algebrica di Riccati. Margini di stabilità. Regolazione con specifiche formulate nel dominio delle frequenze. Il controllo integrale. Il controllo ottimo ad orizzonte finito.


7

Scopo ultimo: controllo di sistemi dinamici (complessi)

Controllo:Azione sul sistema (macchina, apparato, impianto, processo, …) per modificarne (migliorarne) il comportamento

Necessità di:Apparati tecnologici per misura ed attuazione (sensori, motori, …)Sistema di elaborazione (DSP, PLC, …) “real-time” con opportuna capacità computazionaleLeggi di controllo per “decidere” le opportune azioni

IntroduzioneIntroduzione


8Controllo Controllo …… ovunque!ovunque!

Settori dell'Ingegneriaimpianti 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 telecomunicazionesistemi di trasporto (automobile, treni), elettrodomestici, domotica, …...

Altri settorieconomia e finanzasistemi sociali e politiciambiente e territoriomedicina e biologia, …



Generazione e distribuzione dell’energia



Controllo di processo



Industria manifatturiera



Veicoli



Elettronica di consumo



Medicina



Robotica



Scienza

Ottica adattativa Microscopio atomico



Biologia

“Il concetto di retroazione è una caratteristica fondamentale della vita. Il processo della retroazione governa il modo in cui cresciamo, rispondiamo allo stress e alle sfide, e regola fattore come la temperatura corporea, la pressione sanguinea, il livello di colesterolo. Questi meccanismi operano a tutti i livelli, dall’interazione di proteine nelle cellule all’interazione di organismi in ecologie complesse.”

M.B. Hoagland, B. Dodson, “The Way Life Works”, Times Book, 1995


18Cenni storiciCenni storici

Le origini del controllol'uomo ha sempre tentato di costruire sistemi il cui comportamento fosse migliorato da un sistema di controllol'approccio è stato empirico ed inventivo fino alla metà del XIX secolo

tem

po

Orologio ad acquaKtesibios 300 a.c.


19Cenni storiciCenni storiciEsempio famoso: motore a vapore di J. Watt (1798 ca), con controllo automatico

Controllo automaticodella velocità


20Cenni storiciCenni storici

Le origini del controllonella 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 Teoria del Controllo èl'amplificatore in retroazione negativa (Black, 1927)

sviluppi teorici sullo studio della stabilità di Nyquist 1932, Bode 1940


21Cenni 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 mondiale

autopiloti 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


22Cenni storiciCenni storiciLe tecniche di controllo “frequenziali” (basate su Trasformate di Laplace, Diagrammi di Bode, ecc) hanno avuto molta diffusionedurante ed immediatamente dopo la II Guerra Mondiale. Questo tipodi tecniche è adatto per sistemi SISO lineari stazionari (teoria“classica” del controllo).

Bode Diagram

Frequency Ph

ase

Mag

nitu

de

-40-30-20-10010

100 101 102-180-135-90-450


23Cenni storiciCenni storiciNel caso di sistemi non lineari o MIMO queste tecniche hanno peròpesanti limitazioni, che ne riducono l’applicabilità a pochi casi.

A partire dalla fine degli anni ’50 – inizio anni ’60 hanno iniziato ad essere sviluppate tecniche alternative, sia per l’analisi che per la sintesi di sitemi MIMO (Sputnik - 1957).

Teoria “moderna” del controllo.


24Situazione attuale e prospettive di sviluppoSituazione attuale e prospettive di sviluppoSofisticati sistemi di controllo sono presenti in tutti i sistemi militari, industriali, civili


25Situazione attuale e prospettive di sviluppoSituazione attuale e prospettive di sviluppo

Applicazioni in settori ingegneristici non industrialiautoveicoli

Al momento vi sono decine di applicazioni 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)


26Situazione attuale e prospettive di sviluppoSituazione attuale e prospettive di sviluppo

Aree di sviluppo in settori non ingegneristici:apparecchiature biomedichesistemi biologiciambiente e territoriosistemi socio-economicimercati finanziariMarketing…

Prof. Claudio Melchiorri

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IntroduzioneIntroduzioneFINEFINE

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