Corso base sui Controlli

MECBTA02

Docenti

Prof. Michele Ermidoro - Università degli Studi di Bergamo, Dipartimento di Ingegneria

Descrizione

Il tema dei controlli automatici si è sviluppato in modo decisivo negli ultimi anni. La crescita delle tecnologie elettroniche ed informatiche, con il sempre più crescente trend di sensorizzare ogni cosa ha reso possibile l’introduzione di decisive innovazioni all’interno dei prodotti tecnologici più di largo utilizzo.
Uno degli ultimi ritrovati tecnologici, le auto a guida autonoma, sfruttano in modo concreto le nuove capacità offerte dai controlli automatici. Ma esempi di sistemi di controllo sono presenti nella vita di tutti i giorni, dagli elettrodomestici, alla regolazione della temperatura all’interno della propria abitazione passando per i sistemi di sicurezza montati sulle auto (ABS, ESP ecc..).
Cuore di queste tecnologie sono i sistemi di controllo, che sfruttando delle misure sono in grado di agire sul sistema col fine di “fargli fare” ciò che desideriamo. Al centro di un sistema di controllo è presente il controllore, che ha il compito di elaborare in modo intelligente le informazioni per poter ottenere l’andamento desiderato.
Il progettista dei sistemi di controllo ha il compito quindi di definire le misure ed i sensori necessari all’applicazione, definire le modalità di lettura e di filtraggio ed infine deve essere in grado di progettare e tarare il controllore.
Per poter raggiungere questo obiettivo è necessaria la conoscenza di alcuni concetti propri della disciplina dei Controlli Automatici che studia le problematiche di analisi del comportamento di sistemi dinamic e di progetto del sistema di controllo.
Il corso si inserisce in questo contesto, con l’obiettivo di fornire agli studenti una conoscenza di base della teoria del controllo, cercando poi di applicare questa teoria per poter fornire degli strumenti di base per l’analisi ed il progetto del sistema di controllo.

Obiettivi

L’obiettivo del presente corso è di fornire una formazione di base riguardo all’analisi ed alla simulazione del comportamento dei sistemi dinamici per arrivare al progetto di semplici dispositivi di controllo analogici e digitali. Lo spirito formativo del corso è pertanto quello di introdurre ai tecnici non specializzati nel settore dei controlli le necessarie competenze per potersi interfacciare, in modo efficace, con gli specialisti nel processo di progetto di dispositivi automatici nella sua globalità. In particolare, si studieranno sistemi dinamici ad un ingresso ed un uscita lineari, stazionari e a dimensione finita introducendo le necessarie nozioni di ingresso stato e uscita. Successivamente verrà prestata particolare attenzione ad una classe di controllori, i PID, che al momento rappresentano circa il 90% dei controllori utilizzati in industria. Per essi verrà approfondito il concetto di implementazione e taratura.

Contenuti

Tema 1: Analisi dei sistemi con retroazione tramite le tecniche classiche

1. Introduzione alle problematiche del corso. Il problema del controllo automatico. Terminologia e concetti preliminari. Definizione di esempi.
2. Ruolo della modellistica nel problema del controllo. Concetto di controllo in anello chiuso e in anello aperto
3. Introduzione ai sistemi dinamici lineari e stazionari. Trasformata di Laplace. Funzione di trasferimento e tutti i suoi parametri (poli zero guadagno..). Definizione di stabilità.
4. Schemi a blocchi
5. Analisi della risposta temporale della Funzione di Trasferimento (risposta allo scalino, a rampa..)
6. Analisi della risposta in frequenza della Funzione di Trasferimento. Teorema della risposta in frequenza, diagrammi di Bode, filtri passa basso/passa alto.
7. Analisi di sistemi retroazionati. Criteri per la valutazione della stabilità di un sistema di controllo in anello chiuso (Criterio di Nyquist/Criterio di Bode)
8. Robustezza di un sistema di controllo (margine di fase, margine di guadagno)

Tema 2: Tecniche di sintesi del controllore in un sistema retroazionato

1. Requisiti di un sistema di controllo: definizione delle specifiche nei domini del tempo e della frequenza.
2. Descrizione e definizione di reti stabilizzatrici.
3. Metodi di sintesi per tentativi basati sull’impiego della risposta in frequenza.
4. Definizione e utilizzo del luogo delle radici
5. Cenni di assegnamento autovalori
6. Analisi e progetto di controllori di tipo industriale: regolatori PID.
7. Definizione delle principali metodologie di autotuning dei regolatori PID, con particolare attenzione a quelli utilizzati in ambito industriale.

Tema 3: Discretizzazione del controllore

1. Introduzione al controllo digitale. Modello matematico del campionamento. Ricostruzione mediante filtro ideale.Tecniche di discretizzazione del controllore.

• Schemi di controllo digitale
• Problemi realizzativi

Tema 4: Cenni di controllo avanzato

• Regolatori in anello aperto
• Controllo in cascata
• Controllo di sistemi instabili
• Cenni di sistemi di controllo non lineari.

Esercitazione pratica: Sviluppo di un progetto di controllo 
Affrontare, in un caso applicativo industriale, il progetto del controllo a partire dai requisiti stabiliti dal cliente, sviluppando tutte le fasi in ambiente Matlab/Simulink fino alla verifica delle prestazioni attraverso simulazione numerica:

• Presentazione del caso e definizione dei requisiti 
• Sviluppo della concezione di sistema ed architettura del controllo 
• Progetto degli algoritmi di controllo, analisi delle prestazioni
• Cenni implementativi, frequenza di campionamento
• Simulazione numerica e verifica delle prestazioni

Destinatari

Tecnici laureati non specializzati nel campo dei sistemi di controllo che per esigenze di lavoro si devono interfacciare con gli specialisti del settore o che comunque necessitano di comprendere le potenzialità innovative dell’ingegneria dei modelli e del controllo.

Prerequisiti

Conoscenze di base di fisica, matematica ed elettronica. E’ auspicabile la conoscenza del programma MatLab®.

Materiale didattico

Ad ogni partecipante al corso sara' fornita la copia delle slides che saranno utilizzate durante le lezioni.