scuola di ingegneria industriale e dell’informazione corso...
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Mara Tanelli
Fondamenti di Automatica
Scuola di Ingegneria Industriale e dell’InformazioneCorso di Studi in Ingegneria Gestionale:Allievi A-CJ
Informazioni generali sul corso;Introduzione ai contenuti del corso.
Usiamo le slide (quasi sicuramente) solo per oggi. ..
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Mara Tanelli
Informazioni generali
Mara TanelliProfessore Associato in AutomaticaDipartimento di Elettronica, Informazione e BioingegneriaCampus LeonardoTel. 02-2399.3621Email: [email protected]
Orario di ricevimento: su appuntamento (contattatemi via mail)
Pagina web corso: accessibile da• http://home.deib.polimi.it/tanelli � Didattica• sito web del DEIB (www.deib.polimi.it �personale� Mara Tanelli)
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Mara Tanelli
Orario del corso
Orario lezioni e esercitazioni (effettivo!):
� Martedì 8.30-11.00 (di solito una pausa 15 min)LABORATORIO (4 lezioni), AULE CS.1.2-CS.1.4Date: 27/10, 17/11, 15/12, 19/1
� Lunedì 11.30-13.00 (no pausa) 2 ore LEZ (aula L0.1)
� Martedì 12.30-14.30 (di solito una pausa 15 min)3 ore LEZ (aula B6.32)
� Giovedì 13.30-16.00 (di solito una pausa 15 min)3 ore ESE (aula L0.6)
La prima settimana di corso e la settimana dopo la prima PI ci sarà lezione anche al giovedì
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Mara Tanelli
Composizione del corso ed esercitatori
Composizione del corso (indicativa):� 60 ore di lezione (in aula),� 32 ore di esercitazione (in aula),� 12 ore di laboratorio (in aula informatizzata)
il tutto corrispondente a 10 CFU.
Esercitazioni svolte (principalmente) dall’Ing. Giulio Panzani; e-mail: [email protected]
Laboratori svolti da: Ing. Alberto Lucchetti, Ing. Gianmarco Rallo
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Modalita' d'esame
Due prove in itinere (FACOLTATIVE), una a metà e una alla fine del corso:�Prima prova (27/11): riguarderà la prima parte del corso;�Seconda prova (08/2): riguarderà la seconda parte del corso.Per superare l'esame è necessario che la media dei voti conseguito in entrambe le prove sia di almeno 18/30.
1 Appello a febbraio: 01/3
Tutte le prove d’esame (comprese le PI) consistono di una prova scritta comprensiva di domande di teoria.
N.B. Per sostenere una qualsiasi prova d’esame è OBBLIGATORIOiscriversi via Poliself!
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Materiale didattico
Testo del corso:Bolzern, Scattolini, Schiavoni, Fondamenti di controlli automatici (3a o 4a edizione)McGraw-Hillhttp://www.ateneonline.it/bolzern3e/
Eserciziari eventuali:Strada, Caporale, Automatica-Raccolta di esercizi risolti, PitagoraIN USCITA (dovrebbe essere disponibile per meta’ ottobre)Bolzern, Schiavoni, Elementi di automatica-esercizi, MassonGuardabassi, Rocco, Esercizi di controlli automatici, Pitagora Editrice
Materiale aggiuntivoLink disponibili alla pagina web del corso
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Cose che è importante sapere per seguire il corso:� Algebra delle matrici;� Numeri complessi;� Nozioni di base sulle eq. diff. lineari.
Prerequisiti
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Diciamolo subito!
• Purtroppo, negli ultimi anni ci sono stati sempre piùproblemi relativi ad atteggiamenti SCORRETTI da partedegli studenti durante le prove d’esame.
• Ricordate che:
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Diciamolo subito (2)
• Pertanto:• partiamo dall’ipotesi che tutti siamo in buona fede e
corretti. Durante gli esami vi chiederò di:1. lasciare eventuali dispositivi elettronici (smartphone o altro),
spenti accanto a voi sul banco;2. portare con voi al posto assegnato solo quanto serve per
scrivere, calcolatrice e documento di identità;3. lavorare alla prova in silenzio e senza ausili di alcun tipo
(eccezion fatta per una calcolatrice non programmabile)
� Qualora io avessi il fondato sospetto che una o piùpersone NON abbia svolto la prova d’esameesclusivamente con le proprie forze, mi riservo il dirittoINSINDACABILE di sottoporre tali studenti ad una provaorale
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Cos’e’ l’Automatica?
Una possibile definizione...
Automatica:l’insieme degli strumenti matematici e ingegneristici necessari per la specifica, il progetto e la gestione di sistemi di controllo automatici.
In sintesi, l’Automatica è quindi la disciplina che si occupa dei problemi di controllo.
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Mara Tanelli
Cos’e’ un problema di controllo?
• Si ha un problema di controllo ogni volta che si vuole imporre ad un sistema fisico un comportamento desiderato.
• Piu’ precisamente: ... ogni volta che si vuole imporre a variabili associate ad un sistema fisico un andamento desiderato.
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Mara Tanelli
Cos’e’ un problema di controllo? (2)
• Una definizione molto generale!
• Questo perche’ problemi molto diversi tra loro possono essere affrontati con gli stessi metodi mediante una appropriata formulazione matematica.
Per farvi un’idea guardate questo video:
https://www.youtube.com/watch?v=XJLMW6l303g
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Mara Tanelli
Esempio: controllo negli autoveicoli
Alcuni problemi di controllo presenti nelle auto (e nelle moto):
� Controllo dell’iniezione;� Controllo delle emissioni;� Servosterzo;� Cambio automatico;� Controllo della trazione;� Controllo della velocita’ (cruise control);� Stabilizzazione della dinamica (ESP);� Controllo di frenata (ABS)� Sospensioni attive;� Climatizzazione;
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Mara Tanelli
Cos’hanno in comune questi problemi?
Gli ingredienti di tutti i problemi di controllo elencati prima sono gli stessi:� un sistema fisico dato;� una o piu’ variabili da controllare;� una o piu’ variabili sulle quali agire per influenzare il
sistema (variabili di controllo);� una specifica dell’andamento desiderato delle variabili
da controllare (insieme dei requisiti da garantire per il sistema controllato).
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Elementi distintivi dell’Automatica
• è indipendente dalla tecnologia(“hidden technology”)
• è basata su una descrizione matematicadella realtà (modellistica/identificazione)
• offre metodi generali per il progetto del controllo (basato su modelli matematici)
• l’implementazione è comunemente basata su tecnologie informatiche ed elettroniche (microcontrollori installati su sistemi “real-time”, interfacciate con schede elettroniche per acquisizione e trasmissione dei segnali)
L’Automatica quindi consente un approccio comune a problemi di natura molto differente:
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Mara Tanelli
Esempi (1)
Il climatizzatore:� Sistema da controllare: il comportamento termico
della cabina dell’auto;� Variabile da controllare: la temperatura in uno o piu’
punti della cabina;� Variabile sulla quale agire: il comando di uno o piu’
riscaldatori elettrici e ventilatori;� L’andamento desiderato della temperatura: quello
impostato dai passeggeri (tipicamente costante).
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Esempi (2)
Il servosterzo:� Sistema da controllare: la dinamica laterale
dell’autoveicolo;� Variabile da controllare: angolo di sterzata delle
ruote;� Variabile sulla quale agire: il comando di un
servomeccanismo idraulico;� L’andamento desiderato: quello impostato dal pilota
girando il volante.
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Esempi (3)
Il cruise control:� Sistema da controllare: la dinamica longitudinale
dell’autoveicolo;� Variabile da controllare: velocita’ dell’auto;� Variabile sulla quale agire: acceleratore e freno;� L’andamento desiderato: quello impostato dal pilota
(anche qui, di solito e’ costante).
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Mara Tanelli
Com’e’ fatto un sistema di controllo?
Tipicamente consiste di:� Strumentazione per misurare la/le variabili da
controllare (trasduttori);� Strumentazione per agire sulle variabili di controllo
(attuatori);� Una o piu’ leggi di controllo (di solito algoritmi
eseguiti da un calcolatore) che comandano gli attuatori in base alle misure.
Vediamo una rapida panoramica di applicazioni.
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Mara Tanelli
Sistemi automatici di controllo nell’industria
manipolatori robotici
linee di produzione automatizzate
controllo di processo in impianti chimici, termoelettrici, siderurgici,etc...
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Mara Tanelli
guida automatica di aerei, navi, ...
controllo di veicoli spaziali
dispositivi per il comfort e la sicurezza attiva negli autoveicoli
controllo d’assetto di treni
Sistemi automatici di controllo nei mezzi e nei sistemi di trasporto
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Mara Tanelli
reti di distribuzione dell’energia
automazione deisistemi ferroviari
controllo del traffico
Sistemi automatici di controllo nei servizi
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Mara Tanelli
controllo attivo di strutture civilielettronica di consumoapplicazioni biomedichedispositivi per elettrodomestici...
Sistemi automatici di controllo in altri settori
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Multidisciplinarieta’...
Da tutte le premesse fatte finora si deduce che un controllista deve potersi occupare di:� Strumentazione (trasduttori e attuatori);� Hardware (il calcolatore/microcontrollore);� Software (l’implementazione delle leggi di controllo);� Saper analizzare il comportamento del sistema e
progettare le leggi di controllo.
Noi ci occuperemo soprattutto dell’ultimo aspetto.
Vediamo di fissare bene l’idea sul problema da risolvere…
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Mara Tanelli
Il contesto di questo corso
• Problema di controllo: imporre un funzionamento desiderato ad un sistemaassegnato
• Sistema sotto controllo (o da controllare): l’oggetto fisico su cui si pone ilproblema.
• Funzionamento desiderato: richiesta che l’andamento nel tempo di alcunevariabili del sistema sia uguale (rigorosamente?) a quello di variabiliassegnate
• Supponiamo di agire sul sistema da controllare manipolando alcune variabili, dette variabili di controllo o manipolabili
• N.B. Il problema sarebbe “facile” se conoscessimo perfettamente ilcomportamento del sistema da controllare, ma:� I parametri del sistema possono avere valori diversi da quelli nominali
(incertezza)� Esistono variabili esterne non manipolabili che agiscono sul sistema
(disturbi)
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Mara Tanelli
Cosa serve per progettare una legge di controllo?
Due cose fondamentali:
• Un modello del sistema, ovvero una descrizione matematica del legame tra variabili di controllo e variabili da controllare;
• Un modello dell’andamento del valore delle variabili in gioco (di controllo, da controllare, andamento desiderato).
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Mara Tanelli
Quindi ci servono:
• Strumenti matematici per descrivere il comportamento dei sistemi;
• Strumenti matematici per descrivere i segnali, cioe’l’andamento nel tempo delle variabili in gioco.
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Mara Tanelli
Struttura del corso
• Prima parte: matematica dei segnali e dei sistemi;(dall’inizio fino a meta’ corso circa)
• Seconda parte: analisi e (progetto) di sistemi di controllo.
NOTA: saper operare con segnali e sistemi serve a moltissime altre cose, oltre che a progettare i sistemi di controllo!
• Concludiamo con un po’ di nomenclatura e qualche schematizzazione dei problemi che affronteremo…
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Mara Tanelli
Le variabili in gioco
S.
.
.
u1
um
.
.
.
y1
yp
variabili di uscita
variabili di
ingresso
...d1 dr disturbi
Su y
d
Tutte le variabili sonofunzioni del tempo:
t ∈ R: tempo continuo
t ∈ N tempo discreto
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Mara Tanelli
Il problema di controllo
u y
d
SCyo
S: sistema da controllare (processo, impianto)u: variabile di controllo (ingressi manipolabili del sistema S)d: disturbo (variabile di ingresso non manipolabile)y: variabili di uscita (variabili misurabili, variabili controllate)yo: variabili di riferimento (set-point)C: controllore
Controllore+Sistema da controllare = sistema di controllo
Problema: determinare u in modo tale che yo≈y per tutti i possibili andamenti di yo e d (errore e= yo-y “piccolo”, spesso con u moderata)
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Mara Tanelli
Anello aperto e anello chiuso
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Mara Tanelli
Disturbo misurabile e compensazione
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Mara Tanelli
Aspetti realizzativi
Tecnologia del controlloreMeccanicaIdraulicaPneumaticaElettromeccanicaElettronica analogica e digitale
Strumentazione di processoAttuatoriTrasduttori (sensori con elettronica di condizionamentodel segnale. Di solito stadio di amplificazione + conversione del segnale)
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Mara Tanelli
Schema complessivo generale
Attuatore: dispositivo fisico che trasmette realmente al sistemal’azione di controllo (es. sistema frenante, motore elettrico,
valvola, ecc.)
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Perché un corso di Fondamenti di Automatica ad Ing. Gestionale?
• FATTORE CULTURALE: Perché gli strumenti matematici impiegati fanno parte della cultura di base di ogni ingegnere;
• FATTORI CURRICULARI SPECIFICI: • perché ogni azienda, oggi, è caratterizzata da aspetti di
automazione di processo e/o di prodotto � necessaria una comprensione di tali aspetti per una gestione/strategia ottimale
• perché è necessario potersi confrontare con esperti di altri settori della vita aziendale condividendo una base di linguaggio e conoscenze comuni
• perché alcuni strumenti di modellistica e analisi dei sistemi sono impiegati anche per problemi relativi ad ambiti economico/finanziari
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Mara Tanelli
Perché un corso di Fondamenti di Automatica ad Ing. Gestionale?
Per analizzare serie di datieconomici si usano modellidinamici a tempo discreto (chevedremo nel corso) e tecniche diidentificazione dei parametri perfare previsioni.Faremo cenni a questi aspetti allafine del corso…