Sistemi Di Controllo Distribuiti Domande Aperte

Domande aperte sistemi di controllo distribuiti

Lezione 2

In cosa consiste il problema della convergenza?

Il problema della convergenza nello sviluppare nuove soluzioni per dominare l’eterogeneità di sistemi altamente interconnessi tra di loro. Per esempio la gestione di un sistema così complesso come le smart cities, non può prescindere dalla capacità di inter-comunicazione. Il ruolo delle tecnologie delle telecomunicazioni e dell’informatica rappresentano l’autostrada dove viaggiano le informazioni. Ma queste informazioni sono spesso incompatibili tra loro; è pertanto necessario risolvere il problema della convergenza di tecnologie eterogenee. La convergenza tecnologica permette di abilitare il demand-side management ed evitare fermi macchina ed inefficienze. La convergenza di tecnologie eterogenee per la generazione distribuita dell’energia può essere ottenuta solo capendo il ruolo che le telecomunicazioni e l’informatica hanno nel processo di scambio delle informazioni.

Lezione 3

Quali vantaggi e svantaggi caratterizzano i modelli di generazione distribuita e i modelli di generazione centralizzati?

L’attuale modello centralizzato concentra la produzione energetica in un’area geografica relativamente piccola, sfrutta in genere un solo principio tecnologico (termo-elettrico, idro-elettrico, geo-termico, nucleare, etc.) e sviluppa una densità energetica elevata. L’energia utile prodotta viene quindi dispacciata attraverso una rete di trasmissione dalla centrale verso le aree geografiche dove è concentrata la domanda energetica. La rete di distribuzione permette di soddisfare la domanda energetica di dettaglio dell’utenza.

I vantaggi di un approccio centralizzato sono:

• Creazione di economie di scala dovute alle dimensioni degli impianti;
• Alta efficienza dei processi di trasformazione e trasporto dell’energia;
• Monodirezionalità ed omogeneità del processo di dispacciamento;

I principali svantaggi di un approccio centralizzato sono:

• Ingenti costi e tempi di progettazione, realizzazione e manutenzione;
• Monopolizzazione della proprietà degli impianti;
• Forte dipendenza dalle materie prime (ad es. termo-elettrico, termo-nucleare);
• Presenza di Single-Point-Of-Failure (in Italia si ricorda il blackout del 28-09-2003);
• Consumo dell’energia utile distante dal luogo di produzione o stoccaggio;

Nel modello classico di generazione distribuita impianti diversi per taglia (da pochi kW a pochi MW) e tipologia (turbogas, aerogeneratori, pannelli fotovoltaici, etc.), localizzati in località remote (es. parchi eolici) o in prossimità dell'utente finale (es. cogenerazione) sono generalmente collegati alla rete di distribuzione e prevedono l’autoconsumo. Tale modello è in aperta contrapposizione con quello centralizzato in cui poche grandi centrali sono collegate alla rete di distribuzione attraverso la rete di trasmissione ad altissima tensione.

I vantaggi di un approccio distribuito sono:

• Creazione di economie di scala dovute alla standardizzazione degli impianti;
• Consumo dell’energia utile prossimo al luogo di produzione o stoccaggio;
• Democratizzazione della generazione energetica e del mercato dell’energia;
• Affidabilità e flessibilità del sistema dovuto alla interconnessione;
• Uso integrato di fonti di energia «pulite», rinnovabili, sostenibili e fossili;
• Uso di impianti relativamente economici, facili da progettare, realizzare e manutenere;

A fronte di tutti questi vantaggi, il principale svantaggio della generazione distribuita è l’impossibilità di soppiantare la generazione centralizzata, a causa di:

• Bassa efficienza dei singoli processi di trasformazione;
• Non programmabilità del sistema complesso di generazione distribuita a causa dell’eterogeneità di tecnologie, soluzioni, standard, regolamentazioni, procedure e protocolli.

Cosa è una «Smart City»?

Una Smart City è un modello sociale ideale. Tale modello trae origini dalle teorie classiche dell’urbanistica, che individuano come cellula fondamentale di ogni nazione la «città». Il concetto di «Smart City», ovvero di «Città Intelligente» o di «Città Digitale», nasce dalla consapevolezza che il livello di crescita e sviluppo di una città non è soltanto caratterizzato dalle infrastrutture che la compongono (strade, case, servizi, etc.) – chiamato capitale fisico – ma anche e soprattutto dal tessuto sociale che le interconnette e che impatta sulla conoscenza, sulla disponibilità e sulla accessibilità di tali strutture – chiamato capitale sociale ed intellettuale. La sua performance può essere misurata da sei criteri: economia, mobilità, ambiente, persone, qualità della vita, amministrazione. Una Smart City è un complesso di infrastrutture e funzionalità caratterizzate ognuna da una domanda e da un'offerta.

Lezione 4

Quali sono i tipici schemi di controreazione utilizzati nei vari livelli della piramide dell'automazione?

Cosa è la piramide della automazione e quali sono gli obiettivi principali di ogni suo livello?

La piramide di automazione mostra la struttura di un sistema di automazione complesso. Essa è divisa in quattro livelli:

• Gestione, che ha come obiettivo la pianificazione delle condizioni operative in funzione della produzione aziendale;
• Conduzione, che ha come obiettivo la supervisione delle condizioni operative e segnalazione di eventuali anomalie;
• Coordinamento, che ha come obiettivo la sequenzializzazione e temporizzazione degli interventi;
• Campo, che ha come obiettivo l’ottimizzazione della prontezza e la fedeltà di risposta degli elementi singoli.

Come possono essere classificati i sistemi di automazione e quali sono gli schemi di funzionamento che li caratterizzano?

I sistemi di automazione possono essere classificati come:

• Ad eventi programmati - Il tempo di avvio e di fermata è paragonabile al tempo di funzionamento in condizioni nominali
• Di tipo continuo - Il tempo di avvio e di fermata è limitato rispetto al tempo di funzionamento in condizioni nominali.
• Civili ed industriali - L’impianto è finalizzato all’automazione dei servizi offerti dagli edifici (domotica)
• Elettricità acqua e gas - Non prevede tempi di avvio o di fermata. L’impianto è geograficamente distribuito.

Lezione 5

Perché è necessario scegliere una modalità di controllo?

Le modalità di controllo influenzano il modo in cui le azioni di intervento vengono somministrate al sistema da controllare. Modalità di controllo differenti possono raggiungere le stesse funzionalità e garantire le specifiche, ma avranno in generale prestazioni differenti. Una scelta opportuna delle modalità di controllo, quindi, influenza la qualità delle prestazioni ottenibili dal sistema controllato. La scelta delle modalità di controllo richiede una conoscenza approfondita delle possibili modalità di controllo che possono essere applicate. Esistono moltissime modalità di controllo, pertanto è necessario classificarle e fornire delle metodologie sistematiche per la scelta della migliore modalità di controllo.

Quali sono gli obiettivi del controllo dei vari livelli in cui si scompone un sistema complesso?

Gli obiettivi seguono la suddivisione gerarchica del sistema complesso da controllare. Le azioni di controllo avranno obiettivi diversi sulla base del livello gerarchico del sistema complesso.

• Al livello di dispositivo, la finalità dell’azione di controllo è quella di assicurare la fedeltà di risposta nell’evoluzione desiderata e l’attenuazione degli effetti degli interventi non previsti (disturbi e variazioni del comportamento dell’elemento).
• A livello di apparato, la finalità del controllo è quella di assicurare che le azioni di intervento relative agli elementi singoli siano applicate in modo da garantire l’ottimizzazione del funzionamento.
• A livello di sottosistema, la finalità del controllo è quella di assicurare che le azioni di controllo garantiscano una ottimizzazione della conduzione dell’impianto.
• A livello di sistema complesso, la finalità del controllo è quella di assicurare che venga raggiunto il risultato prestabilito con le caratteristiche desiderate e che siano rispettati i vincoli preposti che caratterizzano il funzionamento desiderato; l’obiettivo è allora quello di ottenere l’ottimizzazione della produzione.

Come si possono classificare le modalità di controllo?

Le modalità di controllo possono essere suddivise in tre grandi categorie:

• Modalità di controllo a catena aperta;
• Modalità di controllo a catena chiusa;
• Modalità di controllo a controreazione.

Nelle modalità di controllo a catena aperta, l’azione di intervento sull’elemento da controllare si concretizza nel fissare l’andamento e l’intensità della variabile di comando tramite un operatore, oppure tramite un dispositivo opportunamente programmato. Il principale vantaggio delle modalità di controllo a catena aperta è che sono caratterizzate da una fase di progettazione estremamente semplice e poco costosa. È infatti sufficiente una conoscenza empirica del comportamento del sistema per realizzare un algoritmo di controllo o per addestrare secondo procedure sistematiche un operatore al fine di garantire il corretto funzionamento del sistema controllato. A tale vantaggio corrisponde uno svantaggio altrettanto significativo: le modalità di controllo a catena aperta non legano l’azione di intervento con l’effetto che essa genera nel sistema controllato.

Nel controllo a catena chiusa e nel controllo a controreazione l’andamento della variabile di comando viene fissato tramite una legge di controllo progettata in modo che l’elemento controllato possa raggiungere le finalità desiderate. La legge di controllo determina il valore della variabile di ingresso dell’attuatore in funzione della differenza fra l’andamento desiderato della variabile controllata (ovvero la variabile di controllo) e quello realmente raggiunto, valutato in base alla misura diretta della variabile controllata. Nel controllo a catena chiusa il valore della variabile controllata è misurato con dispositivi di tipo on/off mentre nel controllo a controreazione con dispositivi di tipo continuo.

Lezione 6

Quali tipologie di segnali di prova si utilizzano per la verifica del comportamento statico e dinamico di un sistema?

I segnali di prova realizzabili per la verifica di un comportamento statico e dinamico sono:

• Gradino - che si occupa di problemi di regolazione;
• Rampa e polinomiale - che si occupano di problemi di inseguimento;
• Sinusoidale - che si occupa di problemi di filtraggio.

Nel controllo basato su modello, quali sono le specifiche di prontezza e fedeltà di risposta?

Le specifiche di prontezza e fedeltà di risposta in un controllo automatico su modello sono:

• Strutturali - la stabilità asintotica e il sovradimensionamento;
• Statiche (t → ∞) - errore a regime, ovvero disturbo e ingresso canonico;
• Dinamiche (t → ∞) - prestazioni nel transitorio, ovvero disturbo e ingresso canonico.

Quale è la metodologia per l'analisi ed il controllo di elementi singoli di un sistema distribuito?

La metodologia per l’analisi e il controllo di elementi singoli di un sistema distribuito partono dalla creazione di un modello matematico in cui vi è:

• L’identificazione delle variabili di ingresso, disturbi, stato e uscita;
• La costruzione della relativa equazione di stato ed equazione di uscita;
• La definizione dei limiti di validità del modello;
• La scomposizione del sistema MIMO in più sistemi SISO;
• L’analisi nella sola dinamica dominante.

A seguire vi è l’analisi del modello in cui vengono valutati:

• La stabilità intrinseca;
• Il comportamento;
• Il dimensionamento;
• La dinamica;
• I parametri;
• L’attenuazione dell’effetto dei disturbi;
• La fedeltà e la prontezza di risposta.

Lezione 7

Come si lega il comportamento dinamico di un elemento singolo che fa parte del livello di campo con il concetto di task, che viene invece gestito a livello di coordinamento?

Il controllo a livello di campo assicura per ciascun elemento singolo che:

• Sia stabile asintoticamente;
• La risposta al segnale di ingresso sia fedele (regime permanente);
• La risposta al segnale di ingresso sia rapida (regime transitorio).

Esso è un controllo locale di un elemento singolo finalizzato al raggiungimento di un ben specifico task. Ogni task è sempre attivato da un evento, che richiederà al singolo elemento di attivarsi, andare a regime, compiere una determinata azione e, una volta terminata, portarsi di nuovo nella condizione di partenza. Ovviamente un task non può durare indefinitamente, pertanto ad ogni task è associata una deadline che determina un time scope massimo entro il quale l’attività prevista deve essere svolta. Il livello di campo si preoccupa di eseguire il task entro il time scope. Il livello di campo influenza il livello di coordinamento in quanto:

• La stabilità asintotica garantisce l’esistenza di regime permanente;
• La rapidità di risposta influenza la durata del transitorio;
• La fedeltà di risposta influenza la qualità del regime permanente durante l’evoluzione forzata;

Che tipologia di task vengono eseguiti a livello di conduzione?

Il controllo a livello di conduzione è un controllo locale o distribuito finalizzato alla supervisione di uno o più dispositivi. Un sistema di controllo orientato alla conduzione di un impianto è composto da un insieme di task aperiodici finalizzati al:

• Log dello stato di funzionamento;
• Visualizzazione dello stato operativo;
• Identificazione di guasti o anomalie.

Quali sono gli obiettivi che si intendono perseguire a livello di campo?

Gli obiettivi a livello di campo è l’ottimizzazione della prontezza e della risposta degli elementi singoli, ovvero:

• La fedeltà di risposta influenza la qualità del regime;
• La stabilità asintotica garantisce l'esistenza di regime permanente;
• La rapidità di risposta influenza la durata del transitorio;

Lezione 8

È giusto dire che possono essere definiti sistemi real time solo quei sistemi dotati di microprocessori dalle elevate prestazioni computazionali?

In realtà non è né sufficiente, né necessario avere un microprocessore estremamente potente per garantire che esso costituisca un sistema real time. Sistemi real time:

• La correttezza logica dipende da come è stato implementato il programma di controllo. Un bug nel software mina tale requisito, indipendentemente dalla CPU;
• La correttezza temporale dipende da molti fattori HW e SW: dal BIOS, dal OS, dalla modalità di gestione degli IRQ, dalla gestione del BUS, dalla gestione delle periferiche, etc.

Quali sono le condizioni necessarie e sufficienti affinché un sistema di controllo possa essere definito sistema real time?

Il sistema di controllo che elabora l’algoritmo, si può definire sistema real time se e solo se:

• È in grado elaborare le informazioni in modo da fornire delle risposte logicamente corrette;
• È in grado elaborare le informazioni in modo da fornire delle risposte temporalmente corrette.

Quale proprietà causa-effetto deve rispettare l'hardware e il software di un sistema real time per essere considerato tale?

Il soddisfacimento dei requisiti di correttezza logica e temporale devono essere soddisfatti nella totalità dei casi e non mediamente durante tutto il ciclo di vita del sistema di controllo. Il comportamento di un sistema real time deve essere prevedibile. La proprietà di un sistema di controllo di avere un comportamento prevedibile è nota anche come comportamento deterministico, è pertanto necessario studiare, progettare ed adottare architetture hardware e software dedicate che rispettino tale proprietà.

Citare un esempio di parametri di Quality of Service (QoS) di un sistema di controllo?

Il concetto di Quality of Service (QoS) di un sistema di controllo esprimibile in funzione della capacità di rispettare i vincoli di correttezza logica e temporale. Coefficienti di correttezza logica (rapporto di risultati corretti diviso il totale dei risultati elaborati) e di correttezza temporale (rapporto di risultati elaborati dentro la deadline diviso il totale dei risultati elaborati).

Come si esprime un vincolo real time?

La relazione tra i requisiti dei sistemi di controllo real time e la velocità di elaborazione dell’algoritmo è espressa come rapporto tra il tempo impiegato dal sistema informatico ad eseguire l’algoritmo real time e la deadline. Tale rapporto è detto vincolo real time.

Quando un sistema di controllo si dice hard real time?

Se e solo se coefficiente di correttezza logica = 1, coefficiente di correttezza temporale = 1 viene richiesto ogni qual volta.