Fondamenti di Automatica - domande

Domande di automatiche lezione 11

Definizione di controllo

Il controllo può essere inteso come semplice sorveglianza, ma nella teoria del controllo il significato è più simile a quello della parola inglese “control”, ovvero comando/azione. Esistono diverse tipologie di controllo quali: il controllo di gestione, il controllo sociale e il controllo di un dato sistema, che si prefigge di modificare il comportamento del sistema stesso attraverso la manipolazione delle grandezze d’ingresso. Il controllo può essere manuale o automatico.

Cosa si prefigge il controllo automatico di un sistema?

Il controllo si dice automatico se ha la capacità di sostituire l’uomo nell’effettuare un’azione prevista dall’uomo stesso per ottenere un effetto anch’esso previsto. Sistemi di controllo automatizzati sono perfettamente inseriti nella realtà attuale lavorativa e non, spaziando tra vari settori e industrie. Per esempio, i robot per le lavorazioni industriali e nell’ambito della medicina/chirurgia, sistemi a controllo degli asset di autoveicoli e controllo di specifici valori nell’elettronica.

Quali sono i componenti principali di un sistema di controllo?

• Un sistema da controllare, che si suppone abbia una dinamica spontanea governata da variabili di stato.
• I disturbi, che possono andare a modificare lo stato del sistema essendo variabili d’ingresso dannose.
• Un attuatore che realizza l’azione sul sistema.
• Un controllore, che stabilisce l’intervento per riportare il sistema al comportamento desiderato.
• Il set point, stato di riferimento con cui si confronta lo stato effettivo del sistema dal controllore, come elemento di verifica.
• I sensori, strumenti grazie ai quali è possibile rilevare gli stati del sistema.

Il trasduttore è un dispositivo che genera un segnale elettrico correlato con una grandezza fisica (sensore), oppure un dispositivo capace di produrre un effetto fisico quando gli venga fornito un segnale elettrico (attuatore).

Differenza tra controllo automatico e manuale usando anche esempi

Il controllo si dice manuale se viene attuato direttamente dell’uomo e funzionale ai sensi e alle conoscenze di questo per il raggiungimento dell’obiettivo prefissato. Il controllo si dice automatico se ha la capacità di sostituire l’uomo nell’effettuare un’azione prevista dall’uomo stesso per ottenere un effetto anch’esso previsto. Il controllo della temperatura può essere considerato manuale se per esempio l’uomo, preso atto dell’elevata temperatura, attacca un ventilatore alla corrente e lo accende attraverso un apposito bottone al fine di controllarla e abbassarla. Coesistono strumenti e sistemi capaci di controllare automaticamente e elettronicamente il riscaldamento e il condizionamento dell’aria negli edifici, che non necessitano della presenza umana.

Definire anche tramite esempi il concetto di controllo in anello chiuso

Si parla di anello chiuso quando le decisioni del controllore considerano lo stato del sistema da controllare. Tale logica si chiama anche retro azionata o feedback. Esempi di sistemi di controllo ad anello chiuso sono il boiler con termostato e un cruise control che corregge la velocità.

Definire anche tramite esempi il concetto di controllo in anello aperto

Si parla di anello aperto quando le decisioni del controllore non considerano lo stato del sistema da controllare. Tale logica si chiama anche controllo in avanti o controllo feedforward. L’azione è basata su un modello e su informazioni iniziali del sistema. Un esempio di sistema di controllo ad anello aperto è il motore elettrico per incisioni, motore che aziona un’articolazione di un robot per eseguire una incisione. Si opera con un controllo in avanti che permetterà l’esecuzione pulita della traiettoria.

Vantaggi e svantaggi del controllo in anello chiuso rispetto a quello in anello aperto

La differenza fondamentale tra sistemi di regolazione ad anello aperto e quelli ad anello chiuso è che nei primi non c’è retroazione che consente di misurare continuamente la grandezza fisica da controllare. Un controllore in un anello aperto può funzionare se si conosce il modello di funzionamento del sistema e quindi si determina l’azione da applicare in base ad esso. È possibile compensare l’effetto di disturbi soltanto se questi sono prevedibili e misurabili. È quindi una strategia poco efficace in presenza di incertezza sul sistema. D’altra parte, porta vantaggio nell’assenza di ritardi nella misura della variabile di uscita, in quanto non sono necessari per la logica in anello aperto. Inoltre, la logica in anello chiuso comporta maggiori difficoltà di calcolo e misurazioni che nel caso di anello aperto sono invece evitabili.

Definire il concetto di feedback

Fare esempi di feedback positivi e negativi. Il concetto di feedback è inteso come interazione tra almeno due sistemi o variabili ciascuno in grado di influenzare il comportamento dell’altro. Si intende feedback positivo quando i risultati del sistema vanno ad amplificare il funzionamento del sistema stesso, mentre si parla di feedback negativo quando i risultati del sistema vanno a smorzare il funzionamento del sistema stesso. Un esempio di feedback positivo è il ciclo di scioglimento del ghiaccio artico. Le alte temperature portano allo scioglimento del ghiaccio del mare artico. Come il ghiaccio si scioglie, le acque oceaniche più scure assorbono più calore, aumentando ancora di più la temperatura iniziale andando così a creare un ciclo vizioso senza fine. Un esempio di feedback negativo è il mantenimento della temperatura corporea costante. Quando il corpo si surriscalda, inizia la sudorazione. Più aumenta la sudorazione più si abbassa la temperatura corporea portando a sua volta la sudorazione a diminuire. Quando la temperatura torna a livelli normali il circolo vizioso si interrompe e la sudorazione cessa.

Spiegare come funziona il regolatore di Watt e perché è importante nella teoria del controllo automatico

Il regolatore centrifugo di Watt, risalente al 1788, è un dispositivo meccanico in grado di regolare la velocità di rotazione di un motore a vapore. All’aumentare della velocità le sfere si sollevano e, tramite il meccanismo a parallelogramma, viene chiusa progressivamente la valvola a farfalla che limita il flusso di vapore e l’energia erogata dal motore. Questo strumento è importante perché costituisce il primo controllore mai realizzato, se pur basato su un principio di regolazione già in uso nei mulini a vento dal diciassettesimo secolo, e sarà oggetto di studi matematici da parte di Maxwell nella metà del 1800.

Lezione 2

Domanda 1: Spiegare anche con un esempio la differenza tra modelli algebrici e modelli differenziali (funzioni di stato e di comportamento)

Dall’analisi dei sistemi si possono de...