Sistemi di Controllo Digitale

Insegnamento di 6 crediti o 9 crediti per il Corso di Laurea in Ingegneria dell'Informazione, Informatica ed Elettronica (LT, Anno 2 o 3) al Dipartimento di Ingegneria dell'Università di Ferrara.

Propedeuticità

Fondamenti di Automatica o Controlli Automatici;
Analisi II e Matematica Discreta.

Conoscenze e Abilità da Conseguire

Il corso, partendo dalle basi fornite dai moduli di Controlli Automatici, si propone di fornire gli elementi di analisi e progetto dei regolatori digitali, ossia di quei sistemi di controllo in cui l'unità di elaborazione è costituita da un calcolatore elettronico e l'acquisizione dei dati è scandita da un opportuno periodo di campionamento.

Introduzione al Corso

Il corso di 9 crediti tratta dei sistemi di controllo digitale ossia dei sistemi di controllo in retroazione in cui è presente un calcolatore digitale. L'argomento, che rappresenta un nucleo disciplinare importante per l'automazione dei processi industriali ed il controllo di macchine, costituisce il naturale sviluppo dei contenuti usualmente impartiti in un corso di base di Controlli Automatici, ed è tipicamente rivolto agli studenti dei Corsi di Laurea dell'area dell'Ingegneria dell'Informazione. Una buona parte del corso, con esclusione della parte conclusiva più specialistica sulla Teoria della Stima e dell'Identificazione dei Sistemi Dinamici, può costituire anche un modulo di 6 crediti per l'Ingegneria Informatica e di Ingegneria dell'Automazione. Il corso fornisce, oltre ai necessari sviluppi di tipo metodologico, un insieme di esempi di analisi e di progetto risolti in dettaglio negli aspetti numerici grazie all'impiego di strumenti software di progettazione assistita. Anche sotto questo profilo si ritiene che il corso possa fornire competenze per futiri progettisti e utilizzatori di sistemi di controllo digitale nelle varie aree di applicazione

Programma e Principali Contenuti delle Lezioni

Sistemi di Controllo Digitale (per il Corso da 6 o 9 crediti)
La struttura dell'anello di controllo digitale: componenti e tipi di segnale
Equazioni alle differenze. La Zeta-trasformata: Proprietà e teoremi notevoli
Campionamento dei segnali. Spettro del segnale campionato. Ricostruttori di segnale. Corrispondenza tra piano s e piano z
Criteri di stabilità per sistemi discreti
Specifiche di progetto
Tecniche di discretizzazione. Progetto mediante uso del piano ausiliario w. Progetto mediante luogo delle radici. Regolatori PID digitali

Identificazione di Sistemi Dinamici (solo per il Corso da 9 crediti)
Identificazione del modello matematico come momento della progettazione del sistema di controllo. Fasi dell'identificazione. Classificazione dei metodi di identificazione
Modelli a rappresentazione esterna: AR, ARX. L'approccio predittivo. Modelli in forma predittiva. Metodo dei minimi quadrati
Il principio di parsimonia. Criteri che penalizzano la complessità: test MDL, FPE, e AIC
Uso del Toolbox di Identificazione di Matlab: ident

Modalità di Verifica dell'Apprendimento

L'esame consiste (1) in una prova pratica al calcolatore, dove lo studente dovrà dimostrare di aver appreso l'utilizzo degli strumenti di Matlab e Simulink al fine di effettuare un semplice progetto di un sistema di controllo digitale; successivamente, (2) ci sarà la verifica delle conoscenze relative agli aspetti teorici del corso, ovvero la modellistica dei sistemi a tempo discreto e le metodologie di progetto di un sistema di controllo digitale.

Metodi Didattici

Le esercitazioni fanno ampio uso di Matlab e Simulink. L'esame orale è preceduto dallo svolgimento al calcolatore di un progetto di sistema di controllo. La durata della prova al computer è di circa un'ora. La prova orale verterà invece sulla verifica della conoscenza della teoria relativa ai Sistemi di Controllo Digitale (per il corso a 6 crediti) e della Teoria dell'Identificazione (per il corso di 9 crediti).

Dispense e Lucidi delle Lezioni

1. Controllo Digitale. Lucidi delle lezioni pagina singola (481kB); Formato 2 lucidi per pagina (445kB); Formato 4 lucidi per pagina (386kB).
2. Identificazione dei Modelli. Lucidi delle lezioni pagina singola (6MB); Formato 2 lucidi per pagina (5.7MB); Formato 4 lucidi per pagina (2.3MB).
3. Introduzione a Matlab. Lucidi delle lezioni pagina singola (850kB); Formato 2 lucidi per pagina (650kB); Formato 4 lucidi per pagina (540kB).
4. Introduzione al Control System Toolbox di Matlab e Simulink. Lucidi delle lezioni pagina singola (275kB); Formato 2 lucidi per pagina (393kB); Formato 4 lucidi per pagina (387kB).

File di Utilità per le Esercitazioni in Laboratorio di Informatica

K. Sigmon, "Matlab Primer". University of Florida, Florida, Second Edition ed., 1993. (PDF format file).
"Matlab Tutorial", Getting Started with MATLAB. (PDF format file).
Simulink Main Features, "SIMULINK. Dynamic System Simulation for MATLAB". (PDF format file).
Simulink for Dynamic System Modelling. Dynamic System Simulation for MATLAB and SIMULINK. (PDF format file).
Simulink Basic Features. SIMULINK for Beginners. (PDF format file).

Riferimenti Bibliografici

C.Bonivento, C.Melchiorri, R.Zanasi. Sistemi di controllo digitale, Esculapio ed., Bologna, 1999
Gene F. Franklin, J. David Powell, Abbas Emami-Naeini, CONTROLLO A RETROAZIONE DI SISTEMI DINAMICI, volume II. EdiSES s.r.l. 2005. ISBN: 88 7959 308 0
S. Bittanti. Teoria della Predizione e Filtraggio. Pitagora, Bologna, 1992
S. Bittanti. Identificazione dei Modelli e Controllo adattativo. Pitagora, Bologna, 1992
Cesare Fantuzzi, "Controllori Standard PID", Dispense delle Lezioni di Tecnologia dei Sistemi di Controllo, Ferrara, 19 Maggio, 2001. (file in formato pdf, 524Kb).

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