INGEGNERIA E TECNOLOGIE DEI SISTEMI DI CONTROLLO
Laurea Specialistica in Ingegneria Meccatronica
INTRODUZIONE
INTRODUZIONE
Ing. Cristian Secchi Tel. 0522 522235 e-mail: secchi.cristian@unimore.it http://www.dismi.unimo.it/Members/csecchi
Scopo del Corso
Scopo del Corso
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Introdurre gli aspetti tecnologici dell’automazione industriale•
Rile a ione delle info ma ioni senso iali s l campo•
Rilevazione delle informazioni sensoriali sul campo•
Trattamento delle informazioni sensoriali per l’utilizzo nei dispositivi di controllo•
Architetture fisiche dei sistemi di controllo e problematiche di implementazione del regolatore•
Fornire le nozioni base per l ’implementazione di algoritmi di controllo digitaliDal corso di Controlli Automatici…
Dal corso di Controlli Automatici…
Gc(s) Gp(s)
r(t) e(t) u(t) y(t)
Sono note tecniche per:
•
Trovare un modello Gp(s) del sistema da controllareIntroduzione -- 3 Cristian Secchi Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo
•
Definire le specifiche di controllo•
Progettare un controllore Gc(s) tale per cui il sistema chiuso in retroazione soddisfi le specifiche richieste…a Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo …a Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo
•
La legge di controllo viene calcolata su un microprocessoreLa legge di controllo viene calcolata su un microprocessore•
La tecnologia con cui implementare l’azione di controllo deve essere opportunamente scelta•
Tutti i dispositivi presenti nell’anello di controllo vannoopportunamente interfacciati in modo da ottenere dati consistenti lungo l’anello di controllo.
Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo
•
Testi consigliati:•
Bonivento C., Melchiorri C., Zanasi R., Sistemi di Controllo Digitale, Progetto Leonardo, 1995.•
Franklin G.F., Powell J.D., Workman M., Digital Control of Dynamic Systems, Addison Wesley Ed., terza edizione, ISBN: 0201820544•
Molto utili nozioni e concetti dei corsi di:•
C t lli A t ti iIntroduzione -- 5 Cristian Secchi Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo
•
Controlli AutomaticiIngegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo
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Orario:Lunedì: 10-13, Aula 0.4 pad. Buccola
Giovedì: 9-11, Aula 0.4 pad. Buccola
V dì 9 11 A l 0 4 d B l
Venerdì: 9-11, Aula 0.4 pad. Buccola
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Ricevimento: Dopo lezione oppure Venerdì 11-13 nel mio studio (pad. Morselli, primo piano)•
Esami: Orale con domande di teoria ed esercizi.•
Lucidi:I lucidi proiettati a lezione possono essere scaricati dal sito http://www.automazione.ingre.unimore.it/selezionando, alla voce corsi, il corso di Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo.Programma del Corso
Programma del Corso
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Introduzione al Corso EsempioPrestazioni in continuo
P bl i h ll’i l i di i l
Problematiche nell’implementazione digitale
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Testi Consigliati•
Vantaggi e svantaggi del controllo digitale•
Strumenti Matematici•
Equazioni alle differenze.•
La trasformata Z e le sue proprietà principali.•
Trasformata Z di funzioni elementariIntroduzione -- 7
•
Trasformata Z di funzioni elementari.•
L'antitrasformata Z.Cristian Secchi Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo
Programma del Corso
Programma del Corso
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Campionamento e ricostruzione del segnale•
Campionamento a impulsi.•
Il fenomeno dell'aliasing e il teorema di Shannon.•
Esempi.•
Ricostruttori di segnali.•
Corrispondenza tra piano s e piano z.•
Sistemi a tempo discreto e schemi a blocchi•
Funzioni di trasferimento discrete.•
La funzione di risposta armonica discreta.•
Schemi a blocchi.•
C i i t i t i•
Connessione in cascata e in retroazione.•
Stabilità nei sistemi discreti.•
Definizione di stabilità.•
Trasformazione bilineare e criterio di Routh-Hurwitz. Criterio di Jury.Programma del Corso
Programma del Corso
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Specifiche di Progetto•
Progetto per Discretizzazione•
Passi Principali•
Metodi di discretizzazione•
Esempi•
Progetto mediante Luogo delle Radici•
Passi principali•
Esempi•
Regolatori Standard•
Regolatori PID.•
P ibili fi i PID Introduzione -- 9•
Possibili configurazione PID.•
Gestione dei ritardi.•
Sensori•
Principali sensori utilizzati nell’automazione Cristian Secchi Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di ControlloProgramma del Corso
Programma del Corso
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Messa in Scala•
Messa in scala Tecnologica•
Messa in scala Aritmetica•
Identificazione•
Stima ai minimi quadrati•
Cenni al controllo adattativoSistemi di Controllo Analogici
Sistemi di Controllo Analogici
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Tutti i segnali in gioco sono tempo continui•
L’elaborazione della legge di controllo è svolta in maniera tempoIntroduzione -- 11 Cristian Secchi Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo
continua attraverso, ad esempio, circuiti elettrici o sistemi idraulici
•
Se si desidera cambiare il tipo di legge di controllo occorre cambiare ilsistema fisico che la implementa (es.: circuito elettrico).
Sistemi di Controllo Digitale
Sistemi di Controllo Digitale
•
Sono caratterizzati dalla presenza di un calcolatore (μp) all’interno del loop di controllo.•
All’interno del loop di controllo sono presenti sia segnali a tempo continuo che a tempo discreto p•
L’elaborazione della legge di controllo è svolta in maniera tempo discretaattraverso il calcolatore•
Occorrono dei dispositivi per interfacciare i segnali a tempo continuo (tipici del plant) con quelli a tempo discreto (tipici dell’azione di controllo) e viceversa:C tit i l i di it li (A/D)
•
Convertitori analogico-digitali (A/D)•
Convertitori digitale-analogici (D/A)•
Se si desidera cambiare il tipo di legge di controllo basta cambiare alcune linee di codice del programma che implementa l’algoritmo di controllo. Non occorrono interventi hardware.Sistemi di Controllo Digitale
Sistemi di Controllo Digitale
Impianto Attuatore Calcolatore digitale DD//AA A A//DD 1010 1100 e Trasduttore Clock (T) Tempo-discreto
L’errore di regolazione è convertito in tempo discreto, poi viene elaborato
d l l di i l l’ i di ll
Introduzione -- 13 Cristian Secchi Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo
da un calcolatore digitale per ottenere l’azione di controllo tempo discreta che viene convertita in tempo continuo e trasmessa al plant tramite un attuatore (es.:motore).
I convertitori sono opportunamente sincronizzati da un clock di periodo T che è il periodo di campionamento del calcolatore digitale
Sistemi di Controllo Digitale
Sistemi di Controllo Digitale
Impianto Attuatore Calcolatore digitale D D// A A A A//DD 1010 1100 Trasduttore Tempo-discreto AA//DD
Non viene convertito l’errore di regolazione ma l’elaborazione discreta del g controllo considera separatamente i due ingressi, ossia il segnale di riferimento e la variabile controllata.
I convertitori sono opportunamente sincronizzati da un clock di periodo T che è il periodo di campionamento del calcolatore digitale
Esempio:Controllo
Esempio:Controllo di
di posizione
posizione di
di un’antenna
un’antenna
Si desidera controllare l’altezza di un’antenna affinchè essa possa seguire un satellite.
L’antenna ha un momento di inerzia J e un coefficiente d’attrito viscoso B. E’ mossa da un motore DC che impone una coppia Tc
Il sistema deve portarsi nella posizione desiderata con una
Introduzione -- 15 Cristian Secchi Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo
posizione desiderata con una
sovraelongazione inferiore al 10%, in un tempo di assestamento inferiore a 5 s. e con errore di posizione nullo.
Esempio:Controllo
Esempio:Controllo di
di posizione
posizione di
di un’antenna
un’antenna
θ
c
T
B
J
θ
&
&
+
θ
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=
θ
θ
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&
+
a
θ
&
=
u
θ
J
B
a
=
J
T
u
=
cSiccome di solit J>>B, a<<1. Nelle simulazioni che seguono è stato preso a=0.1
Esempio:Controllo
Esempio:Controllo di
di posizione
posizione di
di un’antenna
un’antenna
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(
1
)
(
)
(
)
(
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s
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s
U
s
s
G
+
=
Θ
=
C(s) G (s) r(t) e(t) u(t) θ(t) Introduzione -- 17 Cristian Secchi Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di ControlloEsempio:Controllo
Esempio:Controllo di
di posizione
posizione di
di un’antenna
un’antenna
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(
t
θ
30
)
(
1
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r
s
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Esempio:Controllo
Esempio:Controllo di
di posizione
posizione di
di un’antenna
un’antenna
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( t
θ
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(
1
5
.
0
1
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0
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t
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Introduzione -- 19 Cristian Secchi Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di ControlloEsempio:Controllo
Esempio:Controllo di
di posizione
posizione di
di un’antenna
un’antenna
30
)
(
01
.
0
=
=
t
r
T
E’ stata implementata la stessa legge di controllo di prima ma nel discretoIl controllo digitale non è solamente un salto tecnologico ma anche un salto concettuale rispetto al controllo continuo
Segnali a Tempo Continuo
Segnali a Tempo Continuo
analogico continuo
tempo-continuo quantizzato
La variabile tempo è definita su un intervallo dell'asse reale. Se poi l'ampiezza assume valori con continuità su un intervallo di numeri reali si parla più propriamente disegnale tempo continuo oppure di
Introduzione -- 21 Cristian Secchi Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo
reali si parla più propriamente di segnale tempo continuo, oppure di segnale quantizzato a tempo continuo se l'ampiezza può assumere solo un insieme finito di valori;
Nella pratica si usano indifferentemente i terminisegnali a tempo continuo e analogici.
Segnali a Tempo Discreto
Segnali a Tempo Discreto
digitale
a dati campionati
La variabile tempo è definita su un insieme di valori discreti, tipicamente equispaziati, ossia t=kT con k intero. Se l'ampiezza può variare con continuità si parla di segnale a dati campionati, in quanto il segnale può essere pensato come generato dal campionamento (di tipo impulsivo)
di l l i it li t i i t ti di ti d l t
di un segnale analogico eseguito negli stessi istanti discreti del tempo. Si parla invece più specificatamente di segnale digitale, nel caso in cui l'ampiezza sia quantizzata, ossia rappresentabile con un codice a numero di cifre (tipicamente binarie) finito.
Nella pratica si usano indifferentemente i terminisegnali a tempo discreto, a dati campionati e digitali.
Segnali e Sistemi
Segnali e Sistemi
Il tipo di segnali elaborati da un sistema definisce la natura del sistema. Trascurando, come spesso si fa in prima approssimazione, la quantizzazione dell’ampiezza, i sistemi (dinamici) presenti nell’anello di controllo digitale sono di due tipi:
sono di due tipi:
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Sistemi analogici: Hanno come ingresso e come uscita segnali di tipo analogico. Rappresentano il modello del sistema da controllare (plant).•
Sistemi a dati campionati:Hanno come ingresso e come uscita segnali a tempo discreto. Rappresentano il modella dell’elaboratoreIntroduzione -- 23 Cristian Secchi Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo
segnali a tempo discreto. Rappresentano il modella dell elaboratore della legge di controllo.
Convertitore A/D
Convertitore A/D –– Da tempo continuo a tempo discretoDa tempo continuo a tempo discreto Campiona, con periodo T, il segnale di ingresso x(t) e restituisce in uscita la sequenza dei valori x(kT) codificati e quantizzati.
•
Campionatore a impulsi di Dirac:•
la chiusura dell’interruttore è istantaneaA/D
Il campionamento è spesso modellato mediante un processo a modulazione di impulsi di Dirac.
•
in uscita produce un impulso di Dirac di “area” pari a x(kT)Convertitore D/A
Convertitore D/A –– Da tempo discreto a tempo continuoDa tempo discreto a tempo continuo
••
RiRi t ttt tt didi didi (Z(Z O d H ld)O d H ld)Fornisce un segnale analogico a partire dalla sequenza di campioni in ingresso. La ricostruzione non è univoca a meno di soddisfare il teorema di Shannon.
Nell’ambito del controlli, il convertitore D/A più usato è:
••
Ricostruttore di ordine zero (Zero Order Hold):Ricostruttore di ordine zero (Zero Order Hold):•
Produce l’uscita:•
Supponendo un campionamento impulsivo:Introduzione -- 25 Cristian Secchi Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo
Vantaggi e Svantaggi del Controllo Digitale
Vantaggi e Svantaggi del Controllo Digitale
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Maggiore capacità e precisione di elaborazione•
Algoritmi di controllo più complessi•
Maggiore flessibilità•
Progettazione più difficile e articolata•
Occorrono competenze anche nel campo dellaprogrammazione e Maggiore flessibilità
•
È sufficiente modificare il software per adattare il sistema a nuove esigenze•
Maggiore affidabilità e ripetibilità•
Non sono presenti fenomeni diusura, deriva termica ecc.
•
Maggiore trasmissibilità dei segnalidell’interfacciamento
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Stabilizzabilità più precaria•
Discontinuità nella trasmissione, ritardi•
Importanza del periodo di campionamento•
Possibilità di arresti non previstigg g
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I segnali digitali sono molto meno sensibili ai disturbi rispetto a quelli analogici•
Il software non ha previsto tutte le possibili situazioni di errore•
Necessità di utilizzare energia elettricaINGEGNERIA E TECNOLOGIE DEI SISTEMI DI CONTROLLO
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INTRODUZIONE
INTRODUZIONE
Ing. Cristian Secchi Tel. 0522 522235 e-mail: secchi.cristian@unimore.it http://www.dismi.unimo.it/Members/csecchi
