Sistemi di Controllo Digitale

Insegnamento di 6 crediti o 9 crediti per il Corso di Laurea in Ingegneria Informatica ed Elettronica (LT, Anno III), Ingegneria Informatica e dell'Automazione (LM, Anno I), Laurea in Ingegneria Meccanica del Dipartimento di Ingegneria, Laurea Informatica (LT, Anno II) di Scienze all'Università di Ferrara.

Propedeuticità

Fondamenti di Automatica o Controlli Automatici (suggeriti);
Analisi I, Fisica I, Fisica II, Matematica Discreta (questi ultimi due sono suggeriti per la comprensione del corso, e necessari per la verbalizzazione dell'esame finale).

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 software 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. L'analisi e la sintesi del sistema di controllo viene effettuato attraverso opportuni strumenti e pacchetti software di progettazione assistita al calcolatore.

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 Elettronica e Informatica (LT), l'Ingegneria Informatica e dell'Automazione (LM), e per la Laurea in Informatica (Scienze, LT). 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 della durata di circa 1 ora, durante la quale 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, attraverso una serie di domande a scelta multipla. Il punteggio conseguito dallo svolgimento corretto del progetto al calcolatore porta fino a 24 punti su 30; le domande a scelta multipla consentono di ottenere un punteggio massimo di 6 punti su 30, a seconda del numero di domande risposte in maniera corretta, pesato sul numero di domande corrette totali.

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. Le domande a scelta multipla (in numero da 9 a dieci) serviranno per la 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).
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).
4. Introduzione al Control System Toolbox di Matlab e Simulink. Lucidi delle lezioni pagina singola (275kB); Formato 2 lucidi per pagina (393kB).

File di Utilità per le Esercitazioni in Laboratorio di Informatica

1. Esercizio Laboratorio Informatica 7 marzo 2018. Introduzione al Control System Toolbox: le funzioni Matlab impulse, step, lsim, e rlocus. Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF).
2. Esercizio Laboratorio Informatica 14 marzo 2018. Introduzione a Simulink. Simulazione di un sistema dinamico a tempo continuo a catena aperta e ad anello chiuso. Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF); File Simulink .mdl; File dati Matlab .mat.
3. Esercizio Laboratorio Informatica 21 marzo 2018. Simulazione di un sistema dinamico in Simulink. Simulazione di un sistema dinamico in retroazione unitaria, non compensato e compensato; calcolo del tempo di assestamento e massima sovralengazione; verifica della stabilità. Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF); File Simulink .mdl; File dati Matlab .mat; Elenco dei comandi per l'esercitazione .pdf;
4. Esercizio Laboratorio Informatica 28 marzo 2018. Simulazione di un sistema dinamico in Simulink e progetto di regolatore PID a tempo continuo. taratura dei parametri con le formule di Ziegler-Nichols. Confronto col metodo di taratura automatica dei parametri del blocco PID in Simulink. Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF); File Simulink .mdl; File dati Matlab .mat; Elenco dei comandi per l'esercitazione .pdf;
5. Esercizio Laboratorio Informatica 10 aprile 2018. Progetto per tentativi di controllo proporzionale con luogo delle radici: (File in formato PDF). File Simulink .mdl; File dati Matlab .mat. Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF).
6. Esercizio Laboratorio Informatica 11 aprile 2018. Progetto per tentativi di rete correttrice anticipatrice con luogo delle radici: (File in formato PDF). File Simulink .mdl; File dati Matlab .mat. Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF).
6bis. Esercizio Proposto come Test di Autovalutazione 11 aprile 2018. Progetto per tentativi di rete correttrice ritardatrice con luogo delle radici: (File in formato PDF). Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF). Risoluzione dell'esercizio proposta dal docente: (File in formato PDF).
7. Esercizio Laboratorio Informatica 18 aprile 2018. Progetto per tentativi di rete correttrice ritardatrice con luogo delle radici: (File in formato PDF). File Simulink .mdl; File dati Matlab .mat. Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF).
8. Esercizio Laboratorio 2 maggio 2018. Metodo diretto di progetto di controllore digitale (con luogo delle radici a tempo discreto): (File in formato PDF). Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF). File Simulink .mdl; File dati Matlab .mat. Risoluzione dell'esercizio proposta dal docente: (File in formato PDF).
9. Esercizio Laboratorio 9 maggio 2018. Metodo indiretto di progetto di sistema di controllo digitale (col metodo di Tustin e dell'Hold Equivalence): (File in formato PDF). Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF). File Simulink della soluzione .mdl; File dati della soluzione in Matlab .mat. Risoluzione dell'esercizio proposta dal docente: (File in formato PDF).
10. Esercizio 11 maggio 2018. Metodo diretto di progetto di controllore digitale (con luogo delle radici a tempo discreto): (File in formato PDF). Risoluzione dell'esercizio proposta dal docente: (File in formato PDF).
11. Esercizio Laboratorio 15 maggio 2018. Progetto di regolatori standard PID (con formule di Ziegler-Nichols e autotuning di Matlab/Simulink): (File in formato PDF). Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF). File Simulink della soluzione .mdl; File dati della soluzione in Matlab .mat. Risoluzione dell'esercizio proposta dal docente: (File in formato PDF).
12. Esercizio Laboratorio 18 maggio 2018. Progetto diretto di rete correttrice con luogo delle radici a tempo discreto: (File in formato PDF). Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF). File Simulink della soluzione .mdl; File dati della soluzione in Matlab .mat. Risoluzione dell'esercizio proposta dal docente: (File in formato PDF).
12bis. Esercizio Laboratorio 18 maggio 2018. Progetto indiretto di rete correttrice di tipo anticipatrice con luogo delle radici: (File in formato PDF). Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF). Risoluzione dell'esercizio proposta dal docente: (File in formato PDF). File Simulink della soluzione .mdl; File dati della soluzione in Matlab .mat. Script file di Matlab per l'inizializzazione dei parametri del motore in corrente continua: (Matlab file .m)
13. Esercizio Laboratorio 23 maggio 2018. Progetto di regolatore standard PID a tempo continuo e tempo discreto con formule di Ziegler-Nichols e metodo automatico di taratura del blocco Simulink: (File in formato PDF). File Simulink della soluzione .mdl; File dati della soluzione in Matlab .mat. Risoluzione dell'esercizio proposta dal docente: (File in formato PDF).
13bis. Esercizio Laboratorio 23 maggio 2018. Progetto indiretto di rete correttrice di tipo ritardardatrice con luogo delle radici e discretizzazione di Tustin: (File in formato PDF). File Simulink della soluzione .slx; File dati della soluzione in Matlab .mat. Risoluzione dell'esercizio proposta dal docente: (File in formato PDF).
14. Esercizio Laboratorio 30 maggio 2018. Metodo diretto di progetto di regolatore digitale mediante luogo delle radici a tempo discreto: (File in formato PDF). Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF). File Simulink della soluzione .mdl; File dati della soluzione in Matlab .mat. Risoluzione dell'esercizio proposta dal docente: (File in formato PDF).
14bis. Esercizio Laboratorio 30 maggio 2018. Metodo indiretto di progetto di regolatore digitale mediante luogo delle radici a tempo continuo e discretizzazione di Tustin: (File in formato PDF). File Simulink della soluzione .mdl; File dati della soluzione in Matlab .mat. Risoluzione dell'esercizio proposta dal docente: (File in formato PDF).
15. Esercizi di Autovalutazione in Preparazione dell'Esame: (File in formato PDF). Risoluzione degli esercizi proposta dal docente: (File in formato PDF).
16. Esempio di domande con risposte a scelta multipla per la prova d'esame della parte di teoria di Sistemi di Controllo Digitale: (File in formato PDF).
17. Problemi vari senza risoluzione. Esercizio su rete ritardatrice con progetto indiretto del regolatore digitale: (File in formato PDF). Esercizio su rete correttrice e verifica di stabilità: (File in formato PDF). Esercizio su rete correttrice e discretizzazione: (File in formato PDF). Esercizio su rete anticipatrice e discretizzazione: (File in formato PDF). Esercizio su Rete Anticipatrice e Luogo delle Radici: (File in formato PDF).

Documenti Tecnici su Matlab e Simulink

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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