Ingegneria dell'Informazione (sede di Latina)

Tipologia

Ingegneria dell'automazione

SSD

ING-INF/04

Anno

2º anno

Semestre

2º semestre

CFU

6

Distribuzione delle ore

36 classroom hours, 24 training hours

Docenti

PAOLO DI GIAMBERARDINO
PAOLO DI GIAMBERARDINO

Tipologia

Ingegneria dell'automazione

SSD

ING-INF/04

Anno

2º anno

Semestre

1º semestre

CFU

6

Distribuzione delle ore

36 classroom hours, 24 training hours

Docenti

Scopo del corso è introdurre ai concetti di modellistica e ai principali metodi di studio dei sistemi dinamici orientati, con particolare riferimento alla classe dei sistemi lineari e stazionari, a tempo continuo e a tempo discreto, nonché illustrare le principali tecniche di sintesi di sistemi di controllo lineari per sistemi dinamici aventi modello lineare o linearizzabile mediante approssimazione. Le tecniche introdotte si riferiscono sia a sintesi di controllori continui, implementabili mediante semplici architetture elettroniche o elettro-meccaniche, che a controllori numerici ottenuti per via indiretta, ossia mediante approssimazione discreta di controllori continui, e per via diretta, a partire dalla rappresentazione esatta del sistema campionato.
Gli studenti, al superamento dell'esame, avranno acquisito sufficienti conoscenze per quanto concerne la modellistica di sistemi fisici da diversi settori disciplinari (elettrico, meccanico, elettronico, economico, ambientale, gestionale, ecc.), con particolare riferimento ai casi lineari e alla approssimazione lineare di sistemi non lineari, la loro analisi dinamica, con caratterizzazione delle evoluzioni libere e forzate, le relazioni ingresso-uscita e i tipi di comportamento, le proprietà strutturali per l'analisi delle relazioni ingresso-stato-uscita, la stabilità . Essi saranno in grado di ricavare il modello matematico di sistemi fisici da diversi settori disciplinari (elettrico, meccanico, elettronico, economico, ambientale, gestionale, ecc.) nella rappresentazione con lo spazio di stato o come relazione ingresso-uscita; saranno in grado di analizzarne le caratteristiche dinamiche, determinandone il comportamento in funzione degli ingressi e delle condizioni iniziali; sapranno studiarne la stabilità; potranno essere in grado di ricavare informazioni sul comportamento del sistema, effettuare previsioni, identificare parametri, migliorando la conoscenza del sistema modellato. Conosceranno le principali tecniche di sintesi di sistemi di controllo lineari, a tempo continuo e a tempo discreto e sapranno scegliere, in funzione del problema dato, delle informazioni disponibili e delle specifiche poste, la migliore tecnica che consente di giungere alla soluzione più efficiente. Saranno inoltre in grado di predisporre lo schema a blocchi del sistema controllato individuando le grandezze da misurare. In alcuni casi sapranno fare riferimento a schemi realizzativi, analogici o digitali, di implementazione. Essi, inoltre, saranno in grado di: analizzare le specifiche per un sistema di controllo; definire lo schema del controllore, dalla misura all'azione di controllo; progettare un controllore, secondo la procedura più opportuna in funzione dell'oggetto e degli obiettivi; scegliere il dominio del tempo più opportuno per una più semplice ed efficace implementazione; effettuare delle simulazioni numeriche per verificare la rispondenza ai requisiti; individuare i dispositivi che possono realizzare il controllore sintetizzato.

Scopo del corso è introdurre ai concetti di modellistica e ai principali metodi di studio dei sistemi dinamici orientati, con particolare riferimento alla classe dei sistemi lineari e stazionari, a tempo continuo e a tempo discreto e illustrare le principali tecniche di sintesi di sistemi di controllo lineari per sistemi dinamici aventi modello lineare o linearizzabile mediante approssimazione. Questo sia mediante sintesi di controllori continui, implementabili mediante semplici architetture elettroniche o elettro-meccaniche, che controllori numerici ottenuti per via indiretta, ossia mediante approssimazione discreta di controllori continui, e per via diretta, a partire dalla rappresentazione esatta del sistema campionato.
Gli studenti, al superamento dell'esame, avranno acquisito sufficienti conoscenze per quanto concerne la modellistica di sistemi fisici da diversi settori disciplinari (elettrico, meccanico, elettronico, economico, ambientale, gestionale, ecc.), con particolare riferimento ai casi lineari e alla approssimazione lineare di sistemi non lineari, la loro analisi dinamica, con caratterizzazione delle evoluzioni libere e forzate, le relazioni ingresso-uscita e i tipi di comportamento, le proprietà strutturali per l'analisi delle relazioni ingresso-stato-uscita, la stabilità . Essi saranno in grado di ricavare il modello matematico di sistemi fisici da diversi settori disciplinari (elettrico, meccanico, elettronico, economico, ambientale, gestionale, ecc.) nella rappresentazione con lo spazio di stato o come relazione ingresso-uscita; saranno in grado di analizzarne le caratteristiche dinamiche, determinandone il comportamento in funzione degli ingressi e delle condizioni iniziali; sapranno studiarne la stabilità; potranno essere in grado di ricavare informazioni sul comportamento del sistema, effettuare previsioni, identificare parametri, migliorando la conoscenza del sistema modellato.
Inoltre. conosceranno le principali tecniche di sintesi di sistemi di controllo lineari, a tempo continuo e a tempo discreto e sapranno scegliere, in funzione del problema dato, delle informazioni disponibili e delle specifiche poste, la migliore tecnica che consente di giungere alla soluzione più efficiente. Saranno inoltre in grado di predisporre lo schema a blocchi del sistema controllato individuando le grandezze da misurare. In alcuni casi sapranno fare riferimento a schemi realizzativi, analogici o digitali, di implementazione. Essi, inoltre, saranno in grado di: analizzare le specifiche per un sistema di controllo; definire lo schema del controllore, dalla misura all'azione di controllo; progettare un controllore, secondo la procedura più opportuna in funzione dell'oggetto e degli obiettivi; scegliere il dominio del tempo più opportuno per una più semplice ed efficace implementazione; effettuare delle simulazioni numeriche per verificare la rispondenza ai requisiti; individuare i dispositivi che possono realizzare il controllore sintetizzato

Conoscenze di Analisi Matematica:
Funzioni di una e più variabili nel dominio reale e complesso; loro rappresentazioni grafiche;
Conoscenza delle basi del calcolo differenziale ed integrale;

Conoscenze di Geometria:
Basi di Algebra lineare, operatori lineari, spazi vettoriali.

Conoscenze di Fisica:
Conoscenze di base nei diversi campi della fisica, sufficienti a comprendere gli esempi applicativi utilizzati.

Modulo: FONDAMENTI DI AUTOMATICA II
Sistemi dinamici orientati e rappresentazioni con lo stato: dal fenomeno, al modello, al sistema astratto.
Concetto di sistema dinamico causale e le loro rappresentazioni: i sistemi lineari, stazionari, a dimensione finita; la rappresentazione implicita ed esplicita; la decomposizione della risposta in libera e forzata; la matrice di transizione e la matrice delle risposte impulsive e le loro proprietà.
Analisi nel dominio del tempo: i modi naturali nell'evoluzione libera dello stato per le rappresentazioni regolari; leggi di moto e traiettorie dei modi naturali; i modi naturali nella risposta forzata nello stato e in uscita e loro proprietà (eccitabilità e osservabilità).
Analisi nel dominio della variabile complessa: la trasformata di Laplace per l'analisi dei sistemi a tempo continuo; la trasformata Z per l'analisi dei sistemi a tempo discreto.
La funzione di trasferimento e le sue rappresentazioni.
La risposta forzata come modello del sistema: la risposta indiciale e il guadagno.
Modelli ingresso-uscita e rappresentazioni con lo stato
Il problema della realizzazione e il calcolo delle rappresentazioni nello spazio di stato a partire dai modelli ingresso-uscita.
Realizzazioni in forma canonica raggiungibile e in forma canonica osservabile.
Le realizzazioni minime: il metodo di Gilbert; cenni alla realizzazione mediante metodi di riduzione.
Elementi di teoria della stabilità: cenni alla stabilità dei punti di equilibrio dei sistemi dinamici. .Definizione di stabilità per i sistemi lineari; condizioni e criteri.
La stabilità interna: il criterio di Routh per i sistemi a tempo continuo.
La stabilità esterna nelle rappresentazioni lineari: condizioni; legami tra stabilità esterna ed interna.
Analisi del comportamento in frequenza
Il regime permanente e il regime transitorio; la risposta permanente a ingressi canonici. Le rappresentazioni grafiche della risposta armonica.
La risposta armonica. La rappresentazione della funzione di trasferimento.
I diagrammi di Bode e Polare.
Parametri significativi del modulo della risposta armonica e della risposta indiciale; collegamento tra comportamento nel tempo ed in frequenza.
Elementi di studio delle proprietà strutturali
La raggiungibilità (controllabilità) e l'osservabilità; la composizione rispetto ad esse; la scomposizione di Kalman e la struttura interna del sistema; collegamento con l'eccitabilità e l'osservabilità dei modi.
Sistemi interconnessi: rappresentazione delle connessioni serie, parallelo e retroazione;. caratteristiche di stabilità dei sistemi interconnessi;. stabilità dei sistemi a controreazione: criterio di Nyquist. Margine di fase e margine di guadagno.
Introduzione al controllo a controreazione e sue proprietà: le caratteristiche dei sistemi di controllo un ingresso-una uscita; risposte a regime permanente per ingressi di riferimento polinomiali e sinusoidali;. risposte a regime permanente per disturbi polinomiali e sinusoidali;. il transitorio e sue caratterizzazioni;. la sensibilità alla variazione dei parametri.
Metodi di analisi e di sintesi basati sulla risposta armonica: definizioni delle specifiche; la carta di Nichols; funzioni compensatrici elementari; uso delle funzioni compensatrici..
Metodi di analisi e di sintesi basati sul luogo delle radici: il luogo delle radici: regole per il tracciamento; studio della stabilità di sistemi a retroazione mediante uso del luogo delle radici; sintesi delle funzioni compensatrici elementari.
Un approccio alla sintesi diretta: ipotesi e vincoli per la soluzione; definizione delle specifiche; sintesi ad uno e a più gradi di libertà.
Sintesi nel dominio del tempo: il problema dell'assegnazione degli autovalori con reazione dallo stato; il problema dell'osservazione e della ricostruzione dello stato; il principio di separazione.
Applicazioni di sistemi di controllo: i regolatori standard PID: progetto e tecniche di taratura; implementazione digitale di controllori continui; tecniche di approssimazione.



Modulo: FONDAMENTI DI AUTOMATICA I
N/D

Modulo: FONDAMENTI DI AUTOMATICA II
Testi consigliati

Lezioni
1. S. Monaco, C.Califano, P. Di Giamberardino, M. Mattioni, Teoria dei Sistemi. Lineari, stazionari a dimensione finita, Esculapio, 2021
2. A. Isidori, Sistemi di Controllo, I vol. Siderea

Esercitazioni
1. C. Gori Giorgi, S. Monaco, S. Battilotti e S. Di Gennaro, Esercizi e complementi di teoria dei sistemi, Ed. La Goliardica
2. L. Lanari, G. Oriolo: Controlli Automatici - Esercizi di Sintesi, EUROMA-La Goliardica

Riferimenti suggeriti/alternativi

M. Basso, L. Chisci, P. Falugi, Fondamenti di Automatica, Città Studi Edizioni
G. Celentano, L. Celentano, Fondamenti di dinamica dei Sistemi, EdiSES
G. Celentano, L. Celentano, Elementi di Controlli Automatici, vol. III, EdiSES
R.C. Dorf, R.H. Bishop: Controlli Automatici, Pearson Addison-Wesley
G.F. Franklin, J.D. Powell, A.Emami-Naeini, Controllo a retroazione, voll. I e II, EdiSES
A. Giua, C. Seatzu, Analisi dei sistemi dinamici, Springer
N.S. Nise, Controlli Automatici, Città Studi Edizioni


Modulo: FONDAMENTI DI AUTOMATICA I
N/D

Modulo: FONDAMENTI DI AUTOMATICA II
N/D
Modulo: FONDAMENTI DI AUTOMATICA I
N/D

Lezioni per la teoria, esercitazioni per le prove pratiche.

Lezioni in presenza in aula, con uso preferenziale di scrittura in diretta su lavagna.
Connessione su piattaforma on line in caso di impedimenti riconosciuti dalla Facoltà.

Media pesata dei risultati delle prove

Domande:
1. Definizioni dei concetti utilizzati
2. Dimostrazione di espressioni, relazioni e formule utilizzate

Esercizi
Applicazioni a casi numerici delle metodologie apprese
(alcune prove precedenti della parte scritta dell'esame disponibili sul sito del corso)

Modulo: FONDAMENTI DI AUTOMATICA II

• Sistemi interconnessi
  • Testi di riferimento: Riferimento 1


• Il controllo a controreazione e sue proprietà
  • Testi di riferimento: Riferimento 2


• Metodi di analisi e di sintesi basati sulla risposta armonica
  • Testi di riferimento: Riferimento 2


• Metodi di analisi e di sintesi basati sul luogo delle radici
  • Testi di riferimento: Riferimento 2


• La sintesi diretta
  • Testi di riferimento: Riferimento 2


• Sintesi nel dominio del tempo
  • Testi di riferimento: Riferimento 1


• I regolatori standard PID
  • Testi di riferimento: Appunti del Docente


• Implementazione digitale di controllori continui
  • Testi di riferimento: Appunti del Docente