Sistemi di Controllo Digitale

Insegnamento per il Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica e Informatica (L-8, 9 CFU);

Insegnamento per il Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica e dell'Automazione (LM-32, 6 CFU);

Insegnamento per il Corso di Laurea Trinnale in Ingegneria Meccanica (L-9, 6 CFU);

Insegnamento per il Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Civile e Ambientale (L-7, 6 CFU);

Insegnamento per il Corso di Laurea in Informatica (L-31, 6 CFU);

Propedeuticità

Fondamenti di Automatica o Controlli Automatici (suggeriti);
Analisi I, Analisi II, Fisica I, Fisica II (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 specifica 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 futuri progettisti e utilizzatori di sistemi di controllo digitale nelle varie aree di applicazione

L'orario delle lezioni per il corso a 6 o a 9 crediti è comune, e segue quello definito per il Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica e Informatica. La parte teorica dell'insegnamento a 6 crediti termina indicativamente all'inizio di maggio. Fino alla fine del corso rimangono invece le esercitazioni in laboratorio di Informatica, comuni per l'Insegnamento a 6 o a 9 crediti.

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 diretto e indiretto del regolatore digitale mediante luogo delle radici e discretizzazione. Progetto diretto 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
Proprietà principali degli stimatori e delle stime: non polarizzazione, consistenza ed efficienza.

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 serviranno per la verifica della conoscenza della teoria relativa ai Sistemi di Controllo Digitale (per il corso a 6 e 9 crediti) e della Teoria dell'Identificazione (solo 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 (solo per il corso a 9 crediti). Lucidi delle lezioni pagina singola (6MB); Formato 2 lucidi per pagina (5.7MB).
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

0. 27/02/2019. Introduzione al corso. Il ruolo dell'Automazione nell'Industria, nell'Accademia e nella Società. Indagini ANIPLA e IEEE CSS. Il piano di studi della LT in Ingegneria Informatica ed Elettronica e della LM in Ingegneria Informatica e Automazione. Proposte di tesi nel settore Automazione, Meccatronica e Robotica Intelligente. (File in formato PDF).
1. Esercizio Laboratorio Informatica 27 marzo 2019. 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;
2. Esercizio Laboratorio Informatica 3 aprile 2019. 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).
3. Esercizio Laboratorio Informatica 10 aprile 2019. 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).
4. Esercizio Laboratorio 12 aprile 2019. 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. Piccolo: (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).
5. Esercizio Laboratorio 17 aprile 2019. 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).
6a. Esercizio 1 Laboratorio 3 maggio 2019. 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).
6b. Esercizio 2Laboratorio 3 maggio 2019. 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)
7a. Esercizio Laboratorio 8 maggio 2019. 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).
7b. Esercizio Laboratorio 8 maggio 2019. 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). Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF).
8a. Esercizio Laboratorio 10 maggio 2019. 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). Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF).
8b. Esercizio Laboratorio 10 maggio 2019. 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).
9. Test d'Esame 15 maggio 2019. Metodo indiretto di progetto di regolatore digitale mediante luogo delle radici a tempo discreto: (File in formato PDF). Traccia della soluzione alla LIM del Lab. Info. Grande proposta dal docente: (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).
10a. Esercizio Laboratorio 22 maggio 2019. 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). Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF).
10b. Esercizio Laboratorio 22 maggio 2019. Progetto diretto del regolatore digitale: (File in formato PDF). File Simulink .mdl; File dati Matlab .mat. Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF). Risoluzione dell'esercizio proposta dal docente: (File in formato PDF).
11. Esercizio Laboratorio 29 maggio 2019. Progetto regolatore analogico e digitale PID: (File in formato PDF). File Simulink .mdl; File dati Matlab .mat. Copia degli appunti alla LIM del Lab. Info. Grande: (File in formato PDF). Risoluzione dell'esercizio proposta dal docente: (File in formato PDF).
12. Esempio di domande con risposte a scelta multipla per la prova d'esame della parte di teoria di Sistemi di Controllo Digitale: (File PDF senza soluzione). (file con le risposte indicate).
13. Esercizi di Autovalutazione in Preparazione dell'Esame: (File in formato PDF). Risoluzione degli esercizi proposta dal docente: (File in formato PDF).
14. 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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