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Catena per lacquisizione dei dati analogici Condizionatore Trasduttore filtro mux S/H A/D CPU multiplexer o mux o selettore è un dispositivo capace di.

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Presentazione sul tema: "Catena per lacquisizione dei dati analogici Condizionatore Trasduttore filtro mux S/H A/D CPU multiplexer o mux o selettore è un dispositivo capace di."— Transcript della presentazione:

1 Catena per lacquisizione dei dati analogici Condizionatore Trasduttore filtro mux S/H A/D CPU multiplexer o mux o selettore è un dispositivo capace di selezionare un singolo segnale elettrico fra diversi segnali in ingresso in base al valore degli ingressi di selezione. Esistono multiplexer sia per segnali digitali che per segnali analogici (amux).

2 sensore filtro campionamento condizionamento conversione controllo Catena di acquisizione dati

3 Il sensore o trasduttore è il primo elemento della catena di acquisizione dati, la cui funzione è quella di acquisire in ingresso una grandezza fisica e di fornire in uscita una grandezza elettrica. Un filtro è un dispositivo che realizza delle funzioni di modifica dei segnali. In particolare la sua funzione può essere quella di filtrare determinate bande di frequenza lasciando passare le frequenze più alte o più basse di un valore determinato, o quelle comprese in un intervallo prestabilito. Il circuito di campionamento deve permettere alla parte di circuito interessata di avere il tempo sufficiente per convertire il segnale campionato. Il condizionamento consiste in una serie di circuiti che servono a modificare il segnale da convertire in modo di adattarlo ai parametri del convertitore, La conversione (eseguita dallADC) è la parte della catena di acquisizione dati in cui il dato analogico viene convertito in dato digitale corrispondente. Controllo …..

4 Il problema del controllo Un problema di controllo nasce nel momento in cui si vuole imporre ad un dispositivo o impianto un comportamento desiderato, per mezzo di opportune azioni esercitate sulloggetto stesso. Operiamo la seguente distinzione: zControllo manuale: lazione di controllo viene esercitata dalloperatore umano. zControllo automatico: lazione di controllo viene esercitata da dispositivi che operano in modo autonomo senza, o con ridotto, intervento umano;

5 ELEMENTI COSTITUTIVI DI UN PROBLEMA DI CONTROLLO SISTEMA SOTTO CONTROLLO, P (Processo) variabili di ingresso: variabili di uscita: COMPORTAMENTO DESIDERATO P u = variabili di controllo (manipolabili) d = disturbi (non manipolabili) z = variabili controllate y = variabili misurate z(t) r(t) ( r = riferimento = uscita desiderata ) Errore= z(t)-r(t) u y z d

6 COMPONENTI DEI SISTEMI DI CONTROLLO Componenti base Dispositivi di misura (sensori) Unità di elaborazione (controllo) Dispositivi di attuazione (attuatori) Altri componenti Sistemi di comunicazione fra unità di controllo, sensori e attuatori Interfaccia uomo-macchina per interazione con operatore)

7 I Sistemi di Controllo in generale si possono dividere in due gruppi: Regolatori sono usati quando si desidera che una determinata grandezza che interviene in un processo assuma un valore costante: tale valore viene chiamato set-point della variabile. Servomeccanismi permettono di guidare la grandezza di uscita secondo una sequenza prefissata (ad esempio i controlli di posizione nel movimento di un braccio meccanico o nella traiettoria di un missile).

8 ESEMPIO Controllo della temperatura in un ambiente riscaldato ad aria Ta P(α) Te Ti, α T z = T (temperatura media dellambiente) u = α (apertura della serranda che regola la portata dellaria immessa a temperatura Ti) d = Te (temperatura esterna) y = Ta (temperatura aria estratta) r = 20°C (temperatura desiderata)

9 Attuatore Lattuatore è lo stadio finale della sezione di controllo ed ha il compito di attuare in pratica lazione intrapresa dal regolatore (fornisce potenza allazione del controllore e ne adegua la natura delluscita allingresso del sistema). Lingresso del sistema deve esser comandato da una variabile di controllo coerente con la sua natura fisica. Lattuatore ha il compito di effettuare la conversione necessaria.

10 Trasduttore Il trasduttore ha il compito di convertire luscita del sistema in un dato fisicamente omogeneo con quello di riferimento (U RIF (t) in riferimento allo schema precedente). Luscita del sistema, infatti, può essere di qualsiasi natura trasduttore, mentre i controlli moderni sono quasi tutti elettronici. Un trasduttore misura la grandezza di uscita e la converte in un livello elettrico ad essa proporzionale. Al blocco trasduttore è richiesta la massima precisione in quanto la sua azione è tra le più delicate per il controllo del processo. Una errata misura del trasduttore significa riportare una informazione errata al controllore e quindi invalidare lazione.

11 4. ESEMPIO SISTEMA DI CONTROLLO 4.1. Controllo del livello di un serbatoio q q= portata volumetrica di fluido allinizio della condotta h= livello del serbatoio q i = portata volumetrica di fluido in ingresso al serbatoio q u = portata volumetrica di fluido in uscita dal serbatoio Att. Idraul. Controllore galleggiante qu qi h* q h o condotta

12 STABILITA Sistema u(t) y(t) DEFINIZIONE Il sistema dicesi STABILE se la sua risposta in uscita tende asintoticamente a zero qualunque siano le condizioni iniziali cioè lim y(t) = 0 t

13 Controllo proporzionale Nel controllo proporzionale il regolatore interviene sullingresso del sistema con valori proporzionali allerrore. Il blocco relativo al regolatore proporzionale stabilisce un semplice legame algebrico tra ingresso e uscita: questa è pari allingresso moltiplicato per la costante di proporzionalità K p. In questo tipo di regolazione il segnale di controllo è proporzionale allerrore; lazione di regolazione è del tutto intuitiva. KpKp e(t) c(t)

14 Controllo integrale Nel controllo integrale il regolatore interviene sullingresso del sistema con valori proporzionali allintegrale dellerrore; Il regolatore integrale stabilisce un legame più complesso: luscita a un dato istante dipende dallintero profilo assunto dallingresso negli istanti precedenti. Lerrore oltre a venir moltiplicato per una costante K I viene integrato.

15 Controllo derivativo Nel controllo derivativo il regolatore interviene sullingresso del sistema con valori proporzionali alla derivata dellerrore. Questo tipo di regolazione agisce in modo impulsivo, interviene con immediatezza ma si annulla subito.

16 Controllori PID I regolatori proporzionali hanno il vantaggio di mantenere la stabilità del sistema e lo svantaggio di permettere uno scostamento della variabile regolata rispetto al valore ideale. I regolatori derivativi hanno unazione immediata, che però si annulla in prossimità della condizione di equilibrio, poiché la derivata di un valore costante è zero. Viceversa i regolatori integrativi agiscono con forza a transitorio esaurito ma agiscono con ritardo. La progettazione di un regolatore è quindi data da una sapiente miscela di questi tre effetti:proporzionale, integrativo e derivativo, per ottenere una condizione di compromesso ottimale, che massimizzi lazione di controllo e minimizzi linstabilità. Si chiamano regolatori PID i dispositivi che sfruttano i vantaggi di tutti i tre tipi di regolazione, essendo dotati di tutte e tre le sezioni.

17 Controllo digitale Nei sistemi digitali ha luogo uno scambio di comandi digitali 0 e 1 tra controllore e sistema controllato. Lo strumento utilizzato è il flat cable (cavo flessibile) che raggruppa le linee digitali. Ciascuna linea supporta un bit che viene scambiato tra controllore e sistema controllato. Linsieme dei bit costituisce una parola digitale; il processo di controllo è legato al transito in sequenza di parole digitali. Sistema controllato Controllo digitale ad anello chiuso Controllo digitale ad anello aperto ON-OFF

18 Sistema controllato Il sistema controllato nel complesso accetta comandi digitali, attraverso i propri input digitali e li invia a dispositivi in grado di riconoscere i due soli ingressi ON e OFF, detti attuatori. Il sistema controllato dispone, generalmente, di terminali di output digitale, collegati a sensori interni che forniscono indicazioni sullo stato di avanzamento del processo.

19 Il controllore Il controllore è un sistema microprogrammato che lavora i logica programmata oppure un microprocessore. Il controllore è adatto a comandare dispositivi con ingresso digitale, generando, le opportune sequenze in bit che stabiliscono il comportamento desiderato. Nel sistema microprogrammato il cuore della struttura è una memoria ROM o EPROM sulla quale sono registrate le sequenze 0 e 1 di attivazione dei vari dispositivi. Il microprocessore invece è un sistema sequenziale con unarchitettura prefissata, molto più articolata di quella dei sistemi microprogrammati, che deve la sua flessibilità alla possibilità di inserire le funzioni logiche mediante un set di istruzioni di programmazione

20 Controllo digitale ad anello aperto Nei sistemi in anello aperto con uscita del controllore digitale, la tabella di marcia dei comandi viene stabilita a priori e registrata entro un supporto di memorizzazione, a bordo del sistema di controllo. Compito del sistema è inviare i livelli logici atti ad attivare o disattivare li attuatori, secondo sequenze e sincronismi prestabiliti, attivando i dispositivi secondo landamento richiesto dal processo. Il vantaggio della tecnica digitale sta nellenorme flessibilità, data dalla possibilità di modificare, intervenendo sul programma, struttura e parametri di controllo.

21 Controllo digitale ad anello chiuso Il controllo digitale permette di ottenere una buona precisione del controllo sfruttando la minore sensibilità ai disturbi offerta in generale dai sistemi digitali. Linformazione digitale è supportata solo dalla sequenza delle informazioni binarie. Questa caratteristica rende questi sistemi poco suscettibili nei riguardi sia dei disturbi esterni e parametrici sia delle varie fonti di errore.

22 Controllo ON/OFF Il controllo ON-OFF consiste in una forma di controllo ad anello chiuso nel quale lazione del controllore è discontinua. Il controllore decide quando intervenire in base alla misura dello scostamento tra valore atteso e valore reale delluscita come nel controllo continuo, ma laggiustamento non viene applicato con continuità, bensì quando lo scostamento oltrepassa una soglia predeterminata. Il controllore recupera le divergenze di comportamento del processo comandando linterveto sul sistema o disattivandolo. Poiché luscita del controllore può assumere solo valore nullo o valore massimo, questa politica di controllo è detta tutto o niente oppure ON-OFF.

23 Fine

24 In questo tipo di regolazione lingresso viene impostato in modo predefinito, stimando a priori il comportamento del sistema. Viene imposto allingresso un valore costante in modo che luscita assuma il valore atteso, senza una verifica del valore effettivo assunto alluscita. Il segnale di uscita è funzione di quello di ingresso e dei disturbi Nel caso in cui il sistema sia semplicemente descritto da una costante di guadagno K, luscita è data dal prodotto dellingresso per la costante K del sistema, cui vengono sommati i disturbi. Il difetto principale del controllo ad anello aperto è lincapacità di contrastare leffetto dei disturbi, luscita pertanto è soggetta a fluttuazioni indesiderate. Controllo ad anello aperto

25 Il controllo ad anello aperto è adatto nel caso in cui: si conoscono precisamente le relazioni ingresso-uscita del sistema; linfluenza dei disturbi è nota a priori in modo certo o stimabile statisticamente; non è richiesta una particolare precisione. Esempio: un ventilatore

26 In questo tipo di regolazione si ha una struttura in grado di modificare lintervento in funzione della risposta del sistema. Luscita viene misurata e confrontata con un valore di riferimento che rappresenta il valore ideale delluscita. Se viene rilevato uno scostamento, il sistema di controllo provvede a variare lingresso del sistema in modo da ricondurne luscita al valore preventivato. Il controllo ad anello chiuso prevede lesistenza di un controllore o regolatore, in grado di prendere decisioni in base al risultato del confronto, agendo sulla variabile dingresso del sistema. In un controllo ad anello chiuso il sistema è dotato di autocontrollo, le variazioni delluscita, infatti, vengono rilevate e riportate allingresso del regolatore, che può attuare una politica di intervento per contrastarle. Controllo anello chiuso

27 Il controllo ad anello chiuso ha come scopo di assicurare: in regime permanente: unalta precisione statica una buona reiezione dei disturbi nel transitorio: una buona precisione dinamica unalta stabilità PRECISIONE STATICA: capacità del sistema controllato di assumere a regime il valore di uscita imposto dallandamento dellingresso ideale di riferimento REIEZIONE DEI DISTURBI: capacità di assicurare lindipendenza delluscita dai disturbi parametrici e additivi, attenuando leffetto di deviazione delluscita dal valore ideale. PRECISIONE DINAMICA: comportamento del sistema nel passaggio da una condizione di funzionamento a unaltra. STABILITÀ: capacità di riguadagnare condizioni normali di funzionamento, a fronte di sollecitazioni temporanee che allontanano il sistema dal suo equilibrio operativo.

28 Il sistema di controllo ad anello chiuso può inoltre avere il blocco trasduttore e il blocco attuatore. Trasduttore: converte luscita del sistema in un dato fisicamente omogeneo con quello di riferimento. Attuatore: ha il compito di attuare in pratica lazione intrapresa dal regolatore

29 Il regolatore può attuare quattro diverse politiche di controllo a seconda de casi: Controllo Continuo Controllo Digitale Controllo ON-OFF

30 Il controllo continuo si suddivide in: Il regolatore interviene sullingresso del sistema con valori proporzionali allerrore. Il regolatore interviene sullingresso del sistema con valori proporzionali allintegrale dellerrore. Il regolatore interviene sullingresso del sistema con valori proporzionali alla derivata dellerrore. Controllo proporzionale Controllo integrale Controllo derivativo Controlli PID

31 In questo tipo di regolazione il segnale di controllo è proporzionale allerrore. Lazione di regolazione è del tutto intuitiva. Se il valore desiderato coincide con quello reale si ha un errore nullo, così come sarebbe nullo il valore della variabile di controllo. Il blocco relativo al regolatore proporzionale stabilisce un semplice legame algebrico tra ingresso e uscita. Luscita infatti sarebbe pari allingresso moltiplicato per la costante di proporzionalità. Attraverso un blocco sommatore, viene iniettato, allingresso del sistema, un segnale che garantisce la presenza in uscita del valore desiderato. Lazione proporzionale non è del tutto ottimale, si ha infatti un valore delluscita superiore a quello nominale. Controllo proporzionale

32 Il regolatore integrale stabilisce un legame in cui luscita a un dato istante dipende dallintero profilo assunto dallingresso negli istanti precedenti. Nel caso del controllo integrale, lerrore oltre a venire moltiplicato per una costante K, viene anche integrato. Lintegrale di una costante va considerata come una retta, quindi in questa situazione, non è più lerrore a comandare il sistema, ma è un segnale che cresce progressivamente nel tempo. Il controllo integrale ha un effetto benefico a regime, ma nel transitorio iniziale non solo non ha efficacia, ma tende ad aumentare le pendolazioni. Controllo integrale

33 Nel regolatore derivativo luscita è la derivata dellingresso. Questo tipo di regolazione agisce in modo impulsivo, interviene con immediatezza ma si annulla subito. Lerrore oltre ad essere moltiplicato per una costante K viene anche derivato. Lazione del regolatore derivativo è ad anticipare, ovvero è prontissima e agisce nei primissimi istanti in cui si verifica lerrore, contrariamente allazione integrativa che agisce i ritardo. Controllo derivativo

34 Si chiamano regolatori PID i dispositivi industriali che sfruttano i vantaggi dei tre tipi di regolazione del controllo continuo. I regolatori proporzionali hanno il vantaggio di mantenere la stabilità del sistema e lo svantaggio di permettere uno scostamento della variabile regolata rispetto al valore ideale. I regolatori derivati hanno unazione immediata, che però si annulla in prossimità della condizione di equilibrio, mentre i regolatori integrativi agiscono con forza a transitorio esaurito ma agiscono con ritardo. I controlli PID sono quindi una miscela di questi tre regolatori, ottenendo così una condizione di compromesso ottimale, che massimizzi lazione d controllo e minimizzi linstabilità. Controllo PID

35 Nei sistemi di controllo digitali ha luogo uno scambio di comandi digitali 0 e 1 tra controllore e sistema controllato. Il sistema controllato accetta comandi digitali, attraverso i propri input digitali, e li invia a dispositivi in grado di riconoscere i due soli ingressi ON e OFF, detti attuatori. Il controllore comanda dispositivi con ingresso digitale, generando le opportune sequenze di bit che stabiliscono il comportamento desiderato, Il controllore è in pratica un sistema microprogrammato che lavora in logica programmata oppure un microprocessore. Controllo Digitale

36 Il controllo digitale può essere di due tipi: In questo sistema la tabella di marcia dei comandi viene stabilita a priori e registrata entro un supporto di memorizzazione, a bordo del sistema di controllo. Compito del sistema è inviare logici atti ad attivare o disattivare gli attuatori, secondo sequenze e sincronismi prestabiliti, attivando i dispositivi secondo landamento richiesto dal processo. Questo sistema permette di ottenere una buona precisione del controllo sfruttando la minore sensibilità ai disturbi offerta in generale dai sistemi digitali. Controllo digitale ad anello aperto Controllo digitale ad anello chiuso

37 Il controllo ON-OFF consiste in una forma di controllo ad anello chiuso nel quale lazione del controllore è discontinua. Il controllore decide quando intervenire in base alla misura dello scostamento tra valore atteso e valore reale delluscita come nel controllo continuo, ma laggiustamento non viene applicato con continuità, ma quando lo scostamento oltrepassa una soglia predeterminata. Il controllore recupera le divergenze di comportamento del processo comandando lintervento sul sistema o disattivandolo. Luscita del controllore può assumere solo valore nullo o valore massimo. Controllo ON OFF

38 Fine

39 I sistemi stocastici si dividono in: Distribuzione di variabile casuale discreta Distribuzione di variabile casuale continua Distribuzione normale o gaussiana

40 Una variabile casuale è una funzione che associa un valore numerico a ciascun evento appartenente allinsieme degli eventi di un esperimento che viene detto spazio degli eventi. Essendo linsieme degli eventi, costituito da valori numerici distinti, si ha una variabile casuale discreta. Linsieme può contenere un numero finito o infinito di valori. Distribuzione di variabile casuale discreta

41 Una variabile casuale continua è una quantità suscettibile i assumere un continuo di valori appartenenti ad uno spazio di eventi. La distribuzione di probabilità è data dalla funzione densità di probabilità. Distribuzione di variabile casuale continua

42 La distribuzione normale, detta anche gaussiana, è una distribuzione continua con valori compresi tra meno infinito e più infinito. La distribuzione gaussiana è la distribuzione più importante perché modellizza un gran numero di rilevazioni statistiche, non solo tecnologiche, ma anche economiche e sociali. Distribuzione normale o gaussiana

43 Un processo stocastico è una famiglia di variabili casuali e può essere pensato come una funzione di due variabili alla quale è associata una funzione di probabilità anche essa di due variabili. I valori delle variabili assunti per tutti i parametri tempo, vengono comunemente definiti stati, quindi linsieme delle variabili viene detto spazio degli stati del processo. Un processo stocastico si può allora definire come una variabile aleatoria i cui valori e le corrispondenti probabilità sono funzione del tempo. Il processo stocastico è un processo probabilistico, quindi ogni esperimento darà luogo a una diversa evoluzione. Processi stocastici

44 Un processo stocastico è un processo dinamico la cui evoluzione temporale è definita in termini probabilistici da una famiglia di distribuzioni di variabile casuale. Se il processo ha luogo in istanti di tempo discreti, cioè distanziati, ovvero se a ogni istante di transizione corrisponde una variabile casual, allora il processo si dice tempo-discreto. Se gli stati assunti del processo sono discreti, allora il processo stocastico è una catena tempo-discreto, detta Catena di Markov. La catena di Markov e quella catena in cui in un generico istante di tempo, lesito della transizione allo stato successivo dipende solo dallo stato di quellistante di tempo e non dagli stati attraversati dal processo in precedenza. Catena di Markov


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