01 Introduzione al corso

Capitolo 01-Intro
01 Introduzione al corso
Motivazioni del corso.
Lesson of the Course “Controlli Automatici” of 27 Feb 2013
Cesare Fantuzzi , Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia
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Obiettivi e contenuti
Gli obiettivi di apprendimento di questa lezione ed esercitazioni.
1. Definire il concetto di “controllo automatico” e cosa si intende per il suo progetto.
2. Portare una serie di esempi presi dalla pratica industriale che consentano di comprendere i punti
salienti del problema del controllo automatico.
3. Definire la terminologia che verrà usata nel corso.
4. Indicare il materiale didattico è le modalità di esame.
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Indice
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Obiettivi e contenuti
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Motivazione dello Studio dei Controlli Automatici
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Alcuni esempi di Controllo Automatico
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Notizie pratiche
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Motivazione dello Studio dei Controlli Automatici
Il Controllo Automatico.
• Il controllo automatico di un sistema (di un motore, di un impianto industriale, di una funzione biologica come il battito cardiaco) si prefigge di modificarne il comportamento attraverso la manipolazione
di grandezze forzanti.
Ad esempio può richiedersi che l’uscita rimanga costante ad un valore prefissato al variare dell’ingresso (controllo semplice) oppure segua fedelmente la dinamica dell’ingresso stesso (sistema di
asservimento) a meno di amplificazioni e ritardi.
• Il controllo del sistema in esame viene affidato ad un altro sistema costruito appositamente, detto
sistema controllante o controllore, che viene progettato dopo uno studio preliminare del sistema da
controllare per individuarne un modello di comportamento.
• nei casi che tratteremo, il modello di comportamento sarà descritto da equazioni matematiche che
definiscono in modo analitico il funzionamento del sistema.
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Alcuni esempi di Controllo Automatico
Il regolatore di Watt
Un controllo automatico completamente meccanico
• Motore a vapore di J. Watt (1798 ca), con regolatore di velocità (regolatore di Watt)
• Regola automaticamente la spinta prodotta dal vapore in funzione della velocità di rotazione.
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Figura 1: The governorg
Il regolatore di Watt (regolatore centrifugo) è un sensore meccanico che in una catena di retroazione
fornisce un parametro che è funzione della velocità angolare. Questo parametro può essere uno spostamento
meccanico che agisce in retroazione negativa su una valvola di regolazione dell’alimentazione di un motore
per mantenere costante la velocità.
È costituito da due o più masse poste in rotazione da un albero rotante. Per effetto della forza centrifuga
le masse tendono ad allontanarsi dall’asse di rotazione, ma il loro allontanamento è contrastato da un sistema
di molle o dalla forza di gravità terrestre attraverso un sistema articolato, come nel caso del pendolo di Watt.
Un sistema di leve trasforma lo spostamento radiale delle masse nello scorrimento assiale di un collare.
Una leva preleva quest’ultimo spostamento per trasferirlo all’organo da controllare, che può essere una
valvola di regolazione di combustibile, di vapore o di acqua in una condotta forzata.
Il primo sistema di questo tipo fu sviluppato da James Watt nel 1788 su suggerimento del suo socio
Matthew Boulton. Si trattava di un pendolo recante due masse sospese per due bracci articolati.
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Schema del sistema.
• Allo scopo di comprendere il funzionamento di un sistema, è molto utile procedere allo sviluppo di
uno schema in cui vengono descritti gli elementi importanti del sistema in esame.
• Nello schema in figura è motrato un semplice schema a blocchi del regolatore di Watt, che è costituito
da due blocchi, rappresentati rispettivamente:
– il sistema meccanico costituito dalla parte rotante a cui sono collegati i pesi attraverso un
sistema di fissaggio che permette la traslazione lungo l’asse veritale.
– il sistema di regolazione della pressione, costituito da una valvola che controlla il flusso di
vapore generato dal bollitore.
– i flussi di segnali/energia.
Vapore non
controllato
Valvola
vapore
controllato
Sistema
Meccanico
velocità
Comando della Valvola
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Un esempio di sistema di controllo manuale
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Osservo il fenomeno fisico
Il controllo agisce
Applico una azione per il controllo
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Esercizio CA01.01
Sviluppare lo schema logico del controllo manuale. Traccia: visualizzare con blocchi rettangolari gli elementi fisici del sistema e con collegamenti orientati gli scambi di informazione (azioni) e di energia tra i
blocchi.
Un sistema di movimentazione su rulliera
Il sistema di movimentazione si basa su rulli motorizzati che, tramite la loro rotazione, trasportano dei
pacchi che debbono essere selezionati in base alla presenza di un codice a barre applicato su di un lato.
Tramite un laser scanner viene acquisito il codice a barre applicato, oppure ne viene rilevata l’assenza.
Tale informazione viene inviata ad un computer di controllo generale (supervisione) che comanda una serie
di traslo meccanici (organi di spinta) che si occupano di spingere il pacco in corrispondenza di appositi
varchi nella macchina. In tal modo viene effettuata la scelta dei pacchi.
Occorre sottolineare che la posizione dei pacchi può essere stimata dal calcolo della velocità di rotazione
dei cilindri delle rulliere in base alla legge cinematica p(t) = p0 + v ∗ t, in cui p0 è la posizione iniziare
livetata da una fotocellula, v è la velocità tangenziale dei rulli e t è il tempo misurato internamente dal
computer tramite un orologio interno, o temporizzatore.
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Schema a blocchi di un sistema complesso.
• Volendo rappresentare uno schema a blocchi di un sistema complesso, occorre sviluppare un approccio gerarchico.
• Il sistema complessivo viene suddiviso in sottosistemi.
• il criterio da seguire per la scomposizione è individuare e fare una lista delle funzionalità implementate dal sistema nel suo complesso. In particolare si cerca di identificare le funzionalità che abbiano
una loro propria identità.
• ogni sottosistema viene sviluppato e trattato a parte (es. è sviluppato a parte il sistema di controllo,
la meccanica, la sensoristica, etc.).
• Si sviluppa poi lo schema a blocchi complessivo.
• Si sviluppano quindi gli schemi a blocchi delle singole componenti.
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Schema a blocchi del sistema rulliera
• Sistema di controllo dei rulli (uno per ciascun rullo), ha il compito di fare ruotare il rullo ad una
velocità costante predefinita.
• Un sistema di Laser Scanner che legga il codice a barre applicato sul pacco.
• Un sistema meccanico a traslo che esegua la spinta del pacco in corrispondenza delle diramazioni.
• Un sistema di fotocellule che permetta la individuazione della posizione del pacco.
• un computer centrale per la raccolta delle informazioni e per il controllo di supervisione.
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Schema a blocchi del sistema rulliera
Rilevamento presenza
Computer
di supervisione
centrale
Riferimento di velocità
Fotocellula
Rullo
Lettura codice
Laser
Scanner
Comando spinta
Traslo
Pacco
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Notizie pratiche
Materiale didattico.
• Sito web del corso, dove trovare informazioni utili, scaricare materiale didattico, informarsi su tesi,
progetti di ricerca, aggiornamenti sulle modalità e date d’esame, etc.: www.arscontrol.org/teaching.
• Libro di testo consigliato: “Modern control systems”, Richard C. Dorf, Robert H. Bishop, Prentice
Hall; 12 edition (July 29, 2010, ), di cui esiste una versione in italiano: “Controlli automatici”, C.
Dorf, Robert H. Bishop, Pearson
• Durante lo svolgimento delle lezioni saranno presenteati alcuni esercizi da svolgere a cura dello
studente: assegnamenti.
• Si consiglia vivamente di svolgere con continuità questi esercizi, in quanto sono pensati per fornire
una valutazione in itinere del grado di preparazione dello studente.
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Modalità d’esame.
• Prova scritta in cui saranno presente domande a risposta multipla.
• Studenti con disturbi di apprendimento diagnosticati possono richiedere di sostenere l’esame in
modalità orale.
• Prova orale in cui lo studente presenta la soluzione degli assegnamenti proposti a lezione. Il risultato
della discussione è valutata come parte integrante dell’esame.
• Il voto finale non è la media dei due voti dello scritto e dell’orale, ma è stilato in base ad una
valutazione complessiva dello studente in sede di esame.
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Tesi di Laurea.
• Sono disponibili Tesi di laurea presso il laboratorio di Automazione, Robotica e Controllo dei Sistemi
(www.arscontrol.org), e stage in azienda su progetti di innovazione e trasferimento tecnologico nei
settori della robotica e controlli automatici.
• L’elenco aggiornato delle tesi disponibili é consultabile presso il sito http://www.arscontrol.org/theses.
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