Obiettivi formativi
Lo studente acquisirà
(i) conoscenze di base per lo studio del comportamento dinamico dei processi energetici e delle macchine e il loro controllo
(ii) strumenti per la simulazione dinamica di sistemi complessi
(iii) capacità di modellazione di componenti di sistemi di diversa natura, tipologia e configurazione, dei quali sarà in grado di valutare la complessità effettuando le appropriate semplificazione per ottenere risultati di accuratezza adeguata anche in relazione a quella delle misure disponibili per calibrazione, validazione e confronto.
(iv) capacita di applicazione delle conoscenze fondamentali e dei metodi di analisi appresi per l’approfondimento della materia a livello superiore con particolare riferimento allo studio dei sistemi energetici più complessi e delle tecniche di controllo più avanzate.
Prerequisiti
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Contenuti dell'insegnamento
Introduzione ai controlli automatici
L’analisi dei sistemi nello spazio degli stati
Introduzione ai modelli matematici (definizione, classificazione)
Le fasi del processo di modellazione
Richiami di fluidodinamica e scambio termico
Richiami di macchine a fluido e sistemi energetici
Il ruolo delle misure sperimentali nel processo di modellazione (calibrazione del modello, validazione)
L’approccio bond graph applicato ai sistemi energetici e ai loro componenti.
Programma esteso
Introduzione al corso. Rassegna sulla modellazione dinamica e applicazione alle turbine a gas. (2 ore)
Introduzione ai controlli automatici. Le strategie di controllo (esempio dello scambiatore di calore). La progettazione di un sistema di controllo e i suoi requisiti. (2 ore)
La dipendenza dell’azione correttiva dall’errore (esempio di regolazione turbina a vapore). (2 ore)
Sistemi orientati. La matrice di trasferimento di sistemi dinamici lineari tempo-invarianti. Il controllo di livello. Esercitazione regolazione livello serbatoio con Xcos e Matlab. (2 ore)
Sistemi energetici basati sul ciclo a vapore e ciclo turbogas. Cogenerazione. Analisi ingressi/uscite del generatore di vapore e della turbina a vapore. (2 ore)
Analisi ingressi/uscite del turbogas. Richiami sulla cogenerazione. Il controllo modulante e il controllo logico/sequenziale. Il governor del gruppo a vapore e i controlli locali di caldaia e turbina. (2 ore)
Il governor meccanico del turbogas. Il governor elettronico del turbogas. (2 ore)
Start up e shutdown di turbogas e impianti a vapore. I controlli di sicurezza di turbogas e impianti a vapore. L'architettura di controllo Direct Digital Control. (2 ore)
L'architettura di controllo Distributed Control System di impianti per la conversione dell'energia. La definizione di strategie ottimali per la gestione di un sistema energetico. Esempio di programmazione lineare applicata ad un impianto a vapore a derivazione. (4 ore)
Il processo di modellazione matematica e le sue fasi. Classificazione dei modelli. (2 ore)
Il ruolo dei modelli nello sviluppo di un nuovo prodotto/processo. I modelli nello spazio degli stati. Procedura per lo sviluppo di modelli nello spazio degli stati. (2 ore)
Analogie tra domini meccanico, elettrico, termico e fluidodinamico. (2 ore)
Esempio di sviluppo di un modello dinamico di un calorimetro. Implementazione in Matlab, Scilab e OpenModelica. (2 ore)
Introduzione alla rappresentazione mediante bond graph. Il legame energetico e quello di controllo. I componenti sorgente, accumulo, dissipatore, giunzione 0 e 1, trasformatore e giratore. Il convection bond e i componenti termofluidodinamici. La causalità. (2 ore)
Esempio di rappresentazione di un banco prova motore mediante bond graph. (2 ore)
La linearizzazione dell’equazione di stato e dell’equazione di uscita di un modello nello spazio degli stati. (2 ore)
L’identificazione parametrica. (4 ore)
Esempio di identificazione parametrica applicata ad un manometro. (2 ore)
Modello statico dettagliato, modello dinamico dettagliato e modello dinamico lineare di turbogas aeronautico. (2 ore)
Procedura di calibrazione dei coefficienti del modello linearizzato di turbogas. Introduzione alla validazione. (2 ore)
Quantificazione dell'incertezza di validazione. Cenni di diagnostica. (4 ore)
Bibliografia
Bacchelli, Danielli, Sandrolini, "Dinamica e controllo delle macchine a fluido", Pitagora Editrice
Doebelin, “System Dynamics – Modeling, Analysis, Simulation, Design”, Marcel Dekker Inc.
Brown, “Engineering system dynamics – A Unified Graph-Centered Approach”, Taylor and Francis, 2nd Edition
Ordis et al, "Modelling and simulation of power generation plants", Springer-Verlag
Kulikov et al, "Dynamic Modelling of Gas Turbines", Springer
I testi sono presenti nella Biblioteca di Ingegneria e Architettura.
Metodi didattici
Lezioni frontali.
Periodicamente verrà caricato sulla piattaforma Elly materiale didattico a supporto delle lezioni svolte in aula e per l'approfondimento dei contenuti delle stesse.
Per accedere a questi contenuti (che sono parte integrante del corso) è necessaria l'iscrizione al corso on-line.
Modalità verifica apprendimento
Esame orale consistente nella discussione di un progetto elaborato in gruppo e in alcune domande riguardanti i contenuti del corso.
Il progetto consiste nello sviluppo di un modello di un sistema fluidodinamico o termodinamico e nell'implementazione dello stesso in due ambienti di calcolo a scelta tra Matlab, Scilab e Openmodelica.
Altre informazioni
E' consigliata la frequenza delle lezioni.
Gli studenti non frequentanti sono invitati a consultare la piattaforma Elly sulla quale verranno periodicamente elencati gli argomenti effettivamente svolti a lezione.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
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