Appunti Controlli Automatici

CONTROLLI AUTOMATICI Anno accademico 2018/2019

Esempio: Controllo della temperatura

Questi esempi sono in catena aperta o in retroazione? Il tiro del basket in retroazione:

controllo istante per istante la distanza

della palla con il canestro (no) quindi è

in catena aperta.

Guidare è in controllo in catena chiusa

L’automobile senza conducente è in

catena chiusa.

Lo spintore è in catena aperta

Esempio 1: Sistemi meccanici Possibili problemi di controllo: muovere

il sistema meccanico a una velocità

desiderata; portare il sistema meccanico

a una posizione desiderata entro un

tempo desiderato

Esempio 2: Controllo del livello di un serbatoio

Possibili problemi di controllo: Portare il fluido nel serbatoio a un

livello desiderato entro un tempo desiderato; Mantenere il livello

del serbatoio entro una soglia desiderata in presenza di utenze

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Esempio 3: Sistemi economici Gestione delle risorse.

Possibili problemi di controllo:

mantenere le risorse al di sopra di una

certa soglia; Portare le risorse a una

quantità desiderata

Elementi fondamentali per il progetto di un sistema di controllo

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. Definire le specifiche di progetto per il sistema controllato

4. Progettare un algoritmo di controllo basato sul modello del sistema, sui segnali disponibili e sulle

specifiche

a. Gli algoritmi di controllo che si imparano a progettare nei corsi di Controllo automatici sono,

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

a. Corso di Controlli digitali

Concettualizzazione del sistema da controllare 4

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Sistema a blocchi di un sistema di controllo

Terminologia

- Sistema: insieme costituito da più parti (sottosistemi) tra loro interagenti di cui si vuole indagare il

comportamento

- Sistema fisico: insieme complesso costituito da elementi materiali (Es. circuito elettrico, macchina

meccanica, impianto chimico, macino idrico, azienda, corpo umano, …)

- Sistema astratto: insieme complesso costituito da elementi immateriali (Es. sistema giuridico, sistema

universitario, sistema sociale, …)

- Fenomeno (Fisico): Manifestazioni delle interazioni tra le parti di un sistema

Esempi di sistemi: →

Automobile sportiva sottosistemi: motore, sospensioni, freni, ….

→

Magazzino sottosistemi: merce, scaffali, AGV, …

I sottosistemi sono a loro volta sistemi: dipende dal livello di dettaglio dell’analisi svolta

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

Gli ingressi e le uscite sono il modo con cui il sistema interagisce con il mondo esterno

Ingressi: azioni che il resto del mondo effettua sul sistema. In generale sono in grado di modificarne il

comportamento e possono essere ingressi di controllo (su cui agiamo) oppure ingressi di disturbo (su cui non

possiamo o non vogliamo agire)

Uscite: risultati esterni (effetti) delle azioni e dell’evoluzione temporale del sistema dovuta a condizioni

iniziali.

In molti casi l’attribuzione a un collegamento della natura di ingresso o di uscita è arbitrariamente fatta dal

progettista per sua convenienza o scelta

Qual è l’ingresso? Qual è l’uscita? Dipende dalla scelta del progettista, entrambe le

variabili possono giocare entrambe i ruoli

La coppia erogata dal motore è un ingresso o un’uscita?

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

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Ingressi di controllo e ingressi 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 e potenza

termica generata dalle persone

Sistemi e controllo

I sistemi autonomi non possiedono ingressi, la loro evoluzione temporale non dipende dal resto del mondo

e non si possono controllare

Il controllo è l’azione su un sistema per imporgli comportamenti desiderati. ATTENZIONE! Talora in italiano

il termine “Controllo” è usato per indicare un’attività di semplice osservazione (in termine tecnico:

monitoraggio)

Il controllo automatico è l’azione di controllo esplicata automaticamente da una macchina

Modelli

Modello: Rappresentazione (fisica o astratta) approssimata di un sistema costruita per uno scopo. Per un

sistema esistono infiniti modelli e il modello rappresenta solo i comportamenti e le proprietà che interessano

Modello matematico: descrizione della struttura e dell’evoluzione di un sistema mediante simboli

matematici. Le grandezze caratteristiche di un modello sono classificate come:

• Variabili: descrivono il variare di una grandezza del sistema. Es. corrente elettrica, posizione o velocità di

un corpo, quantità di materia, …

• Parametri: descrivono la struttura del sistema e solitamente sono costanti. Es. valore di una resistenza,

valore della massa, …

Progetto di un sistema di controllo. Passi principali

1. Definizione delle specifiche

a. Obiettivi da conseguire

b. Qualità del controllo

c. Costo

2. Modellazione del sistema

a. Scelta del dettaglio

b. Definizione degli ingressi

c. Definizione delle uscite

d. Tipologia di rappresentazione

e. “Costruzione” del modello

f. Validazione mediante simulazione

3. Analisi del sistema

a. Studio delle proprietà

b. Verifica di fattibilità delle specifiche di controllo

4. Sintesi della legge di controllo

a. Basata sul modello

b. Verifica delle proprietà del sistema controllato

c. Valutazione della complessità e stima del carico computazionale

5. Simulazione del sistema controllato

a. Condizioni ideali

b. Condizioni realistiche

c. Modello impianto più complesso

d. Quantizzazione delle grandezze, ritardi di calcolo, disturbi di misura

6. Introduzione degli elementi tecnologici

a. Sensori, attuatori 6

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b. Catena di acquisizione e attuazione

c. Dispositivo di elaborazione

7. Sperimentazione

a. Prototipazione rapida

b. Verifica delle specifiche

c. Stima del costo

d. Costruzione di un prototipo definitivo

e. Ingegnerizzazione

f. Produzione in serie

Perché controllare?

Garantire che l’uscita del sistema segua il comportamento desiderato a fronte di condizioni operative

nominali e anche nel caso ci siano variazioni nelle condizioni operative nominali (disturbo, imprecisioni di

modello, ecc… )

Esempio: Controllo della temperatura di una stanza

Perché controllare? Condizioni operative variabili: temperatura esterna, irraggiamento solare, numero di

persone; Specifiche variabili: temperatura interna desiderata che varia in funzione della presenza in casa.

Strategia 1: Ottimizzazione dell’impianto

È basata sul modello. Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti delle condizioni operative

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)

Strategia 2: Controllo in catena aperta

È basata su un modello ed una stima delle condizioni operative

Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti delle condizioni operative variabili (come caso

precedente, in aggiunta, predisposizione di camini e stufe); Politica di gestione (abbigliamento dei proprietari

e gestione delle finestre d’estate); Azione di controllo (accensione dei camini e delle stufe d’inverno,

immissione di una quantità predefinita di energia)

Strategia 3: Controllo in retroazione

È basata su un modello, sulla misura dell’obiettivo (temperatura interna) e delle condizioni operative

Costruzione della casa in modo da minimizzare le condizioni operative variabili (come caso precedente, ma

meno curata più in aggiunta la predisposizione di impianto di riscaldamento e condizionamento); Politica di

gestione (abbigliamento dei proprietari ma 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)

Esempio: Sospensione dell’automobile

Perché controllare? Condizioni operative variabili: numero di persone, rettilineo/curva, tipo di tracciato e

asfalto; Specifiche variabili: corsa su pista, rally, guida in città, guida confortevole in autostrada.

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Sospensione tradizionale (senza controllo)

Elementi in gioco

→

M Massa del veicolo

v →

M Massa della ruota

r

→

S Sospensione

→

A Ammortizzatore

Obiettivo: Garantire la tenuta in strada e il comfort. h costante mediante la scelta

(taratura) di M , S e A. Problemi: Specifiche di contrasto e condizioni operative variabili (passeggeri, tipo di

r

strada)

Si arriva a una soluzione di compromesso valida in condizioni nominali

Sospensione tradizionale (con controllo)

Elementi in gioco:

→

M Massa del veicolo

v →

M Massa della ruota

r

→

S Sospensione

→

A Ammortizzatore

→

At Attuatore

Obiettivo: Garantire la tenuta di strada e il comfort. h costante mediante

azione intelligente e continua, At scambiatore di energia con serbatoio. →

Questo ha vantaggi: cambiamento della strategia di azione nelle diverse condizioni operative soluzione

ottimizzata in tutte le condizioni di guida. Uno svantaggio che possiamo notare è un aumento dei costi.

Motivazione del controllo

È indispensabile garantire che il sistema da controllare sia, di per sé, funzionante al meglio anche senza il

controllo: non si costruisce una Panda per 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 di agenti esterni (disturbi) (Temperatura

esterna, irraggiamento, salita/discesa, vento, stato dell’asfalto)

Il punto di partenza per il progetto di un sistema di c