Ingegneria delle Nanotecnologie - Nanotechnology Engineering

Modulo 1 – Cinematica e Dinamica del corpo rigido (4 ore) Cinematica e dinamica del corpo rigido. Equazioni della dinamica scritte in coordinate corpo. Esercitazioni MATLAB: simulazioni numeriche di moti vincolati e liberi. Modulo 2 – Dinamica di sistemi ad un grado di libertà (8 ore) Problema libero e forzato con e senza smorzamento. Smorzamento viscoso e strutturale. Risposte al gradino, all’impulso e a forzanti armoniche. Funzione di risposta in frequenza. Esercitazioni MATLAB: implementazione delle equazioni del moto e confronto con la soluzione teorica. Modulo 3 – Dinamica di sistemi a più gradi di libertà (10 ore) Formulazione di d’Alembert e di Lagrange. Matrici di massa, smorzamento e rigidezza. Modi naturali e frequenze naturali di vibrazione. Sistemi forzati e analisi modale. Smorzamento viscoso, proporzionale e strutturale. Matrice delle funzioni di risposta in frequenza. Risposta SISO, SIMO e MIMO, risposta a eccitazione random e matrice delle densità spettrali di potenza. Cenni all’identificazione dei parametri modali. Esercitazioni MATLAB e FEM: calcolo dei modi propri e analisi modale di sistemi discreti. Modulo 4 – Dinamica dei sistemi continui (10 ore) Vibrazioni della corda, aste, alberi, travi, membrane e piastre. Autofunzioni e frequenze naturali di vibrazione. Analisi modale e funzione di risposta complessa in frequenza. Risposta ad eccitazione random. Esercitazioni FEM: analisi modale di travi e piastre. Modulo 5 – Isolamento e controllo delle vibrazioni (8 ore) Tecniche di isolamento all’urto, isolamento a bassa e alta frequenza. Stabilità dei sistemi dinamici. Analisi dei sistemi in controreazione e regolatori PID. Esercitazioni MATLAB: simulazione di sistemi isolati e controllo PID. Modulo 6 – Analisi dei segnali (8 ore) Serie e trasformata di Fourier, trasformata discreta e FFT. Convoluzione, campionamento dei segnali, teorema di Nyquist-Shannon e aliasing. Cenni di statistica e teoria della probabilità per segnali random. Funzioni random stazionarie ed ergodiche, correlazione e densità spettrale di potenza. Esercitazioni MATLAB: analisi in frequenza di segnali e teorema di campionamento. Modulo 7 – Microcontrollori e meccatronica applicata (12 ore) Introduzione al microcontrollore e tool di sviluppo per la meccatronica. Architettura (CPU, memoria, PWM). Sensori base: letture digitali e analogiche (pulsanti con pull-up/pull-down, potenziometro su ADC), HC-SR04. Sensori avanzati: IMU, librerie, datasheet e calibrazione di base. Attuatori e PWM: LED dimming, buzzer, servo, motore DC; frequenza, duty cycle, sicurezza elettrica e alimentazioni separate. Controllo velocità di un motore DC con PWM e lettura di un sensore. Controllo di un sistema semplice: modellazione leggera del sistema (input-sensore, uscita -attuatore), controllo on/off con isteresi e PID semplificato. Obiettivi: configurare l’ambiente, compilare, caricare e verificare programmi semplici; interfacciare sensori e attuatori; progettare un controllo elementare in ambito meccatronico.

Conoscenza di nozioni di analisi matematica e di fisica (meccanica).

Shin, Hammond, Fundamentals of Signal Processing for Sound and Vibration Engineers, Wiley Cannon, Dynamics of physical systems, Dover Khinchin, Mathematical foundation of statistical mechanics, Dover Salsa, Equazioni a derivate parziali, Springer Giua, Seatzu, Analisi dei sistemi dinamici, Springer Bolzern, Scattolini, Schiavoni, Fondamenti di controlli automatici, Mc Graw-Hill

La frequenza è consigliata

Gli studenti dovranno presentare un progetto sviluppato scegliendo degli argomenti del programma del corso e sostenere una prova orale sul programma del corso

Didattica in aula

Cenni di analisi dei segnali: serie di Fourier, trasformate di Fourier, integrale di convoluzione, campionamento dei segnali, teorema del campionamento, aliasing. Trasformata di Laplace. Cenni di statistica e teoria della probabilità per introdurre lo studio delle funzioni random. Funzioni random stazionarie ed ergodiche. Correlazione dei segnali, densità spettrale di potenza. Dinamica di corpo rigido Cinematica e dinamica del corpo rigido, equazioni della dinamica scritte in coordinate corpo Dinamica di sistemi ad un grado di libertà. Problema non forzato e forzato con forzante armonica senza smorzamento, definizione dello smorzamento viscoso e dello smorzamento strutturale, problema non forzato e forzato con forzante armonica con smorzamento, risposta al gradino unitario, risposta all’impulso unitario, risposta a forzante generica deterministica, funzione di risposta in frequenza, risposta ad eccitazione random: densità spettrale di potenza della risposta. Dinamica di sistemi a n gradi di libertà. Formulazione di d’Alembert e di Lagrange, equazioni di bilancio delle forze, modi naturali e frequenze naturali di vibrazione, sistemi forzati ed analisi modale. Smorzamento viscoso, smorzamento viscoso proporzionale, smorzamento strutturale, matrice delle funzioni di risposta in frequenza, risposta dei sistemi ad eccitazione single input single output (SISO), single input multi output (SIMO), multi input multi output (MIMO), risposta ad eccitazione random e matrice delle densità spettrali di potenza delle risposte, cenni all’identificazione dei parametri modali da prove sperimentali. Dinamica di sistemi continui Studio di problemi di dinamica strutturale tramite approccio modale (calcolo delle autofunzioni de delle frequenze naturali di vibrazione): vibrazioni della corda, vibrazioni longitudinali di aste, vibrazioni torsionali di alberi, vibrazioni flessionali di travi, vibrazioni di membrane, vibrazioni flessionali di piastre; analisi modale per la determinazione della risposta di sistemi dinamici continui eccitati con forzante deterministica, funzione di risposta complessa in frequenza per sistemi continui, risposta ad eccitazione random. Onde longitudinali, onde flessionali in mezzi infiniti (travi e piastre), riflessione delle onde al contorno di mezzi semi infiniti e chiusura del treno d’onda. Eccitazione di piastre investiti da onde acustiche, impedenza ondosa, trasmissione del rumore attraverso barriere, irradiazione sonora da piastre vibranti. Problemi ad alta frequenza: soluzione tramite tecniche statistico energetiche, Statistical Energy Analysis. Approccio entropico per problemi meccanici: definizione di funzione di entropia di Khinchin, definizione di temperatura termodinamica di sistemi meccanici. Isolamento e controllo delle vibrazioni Tecniche di isolamento all’urto, isolamento a bassa ed alta frequenza. Stabilità dei sistemi dinamici, cenni di analisi dei sistemi in controreazione, regolatori PID, cenni di tecniche di controllo ottimo. LQR

Conoscenza di nozioni di analisi matematica e di fisica (meccanica).

Shin, Hammond, Fundamentals of Signal Processing for Sound and Vibration Engineers, Wiley Cannon, Dynamics of physical systems, Dover Khinchin, Mathematical foundation of statistical mechanics, Dover Salsa, Equazioni a derivate parziali, Springer Giua, Seatzu, Analisi dei sistemi dinamici, Springer Bolzern, Scattolini, Schiavoni, Fondamenti di controlli automatici, Mc Graw-Hill

La frequenza è consigliata

Gli studenti dovranno presentare un progetto sviluppato scegliendo degli argomenti del programma del corso e sostenere una prova orale sul programma del corso

Didattica In aula