Insegnamento per il Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica e Informatica (L-8, 6 CFU);
Insegnamento per il Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Informatica e dell'Automazione (LM-32, 6 CFU);
Insegnamento per il Corso di Laurea Triennale 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 (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 6 CFU 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.
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, quali Matlab e Simulink.
Il corso risulta indicato per i diversi curricula dell'Ingegneria Elettronica
e Informatica, l'Ingegneria Informatica e dell'Automazione, per la Laurea in
Informatica (Scienze), e per la laurea in Ingegneria Meccanica Industriale.
Anche sotto il profilo degli aspetti pratici forniti sull'utilizzo degli strumenti
software, si ritiene che il corso possa fornire competenze trasversali per futuri
progettisti e utilizzatori di sistemi di controllo nelle varie aree dell'Ingegneria.
L'orario delle lezioni segue quello definito per il Corso di Laurea Triennale in Ingegneria
Elettronica e Informatica. Il corso analizza la parte di teoria relativa al Controllo Digitale con
esercitazioni al calcolatore, indispensabili per la comprensione delle metodologie pratiche di progetto e sintesi di
un regolatore digitale.
Programma e Principali Contenuti delle Lezioni
Sistemi di Controllo Digitale (6 CFU)
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
Modalità di Verifica dell'Apprendimento
L'esame consiste (1) in una prova pratica da svolgere al calcolatore della durata di 30 minuti, in cui 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 al fine di soddisfare le specifiche richieste; 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 quiz a scelta multipla. Il tempo a disposizione per rispondere alle domande &grave di 15 minuti. 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
Data la situazione straordinaria, fino al ritorno alla normalità, le lezioni saranno fornite in streaming, visualizzabili dai link forniti nel seguito. Le lezioni fanno anche uso degli strumenti software di Matlab e Simulink.
La prova a quiz dell'esame è preceduta
dallo svolgimento al calcolatore del progetto di
sistema di controllo digitale. La durata della prova al computer è di
30 minuti. Le domande a quiz a scelta multipla da completare in 15 minuti serviranno invece per la verifica
della conoscenza della teoria relativa ai Sistemi di Controllo
Digitale.
Materiale Didattico: Dispense e Lucidi delle Lezioni
0b. L'Importanza dell'Ingegnere nel settore dell'Automazione, Indagini ANIPLA e IEEE, la Laurea Elettronica e Informatica (curriculum Automazione) e Piano degli Studi (Ingegneria Informatica e Automazione, percorso Sistemi per l'Automazione). Link al filmato su YouTube (durata: 25 min. circa).
0c. 09/03/2020. 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).
01. Introduzione ai Sistemi di Controllo Digitale (Lucidi 1 - 7). Link al filmato su YouTube (durata: 18 min. circa).
02. Gli Elementi di Base dei Sistemi di Controllo Digitale in Retroazione (Lucidi 8 - 10). Link al filmato su YouTube (durata: 15 min. circa).
03. Il Mantenitore di Ordine Zero: Esempio di Calcolo della Funzione di Trasferimento (Approfondimento) (Lucido 9). Link al filmato su YouTube (durata: 24 min. circa).
04. Descrizione Matematica dei Sistemi a Tempo Discreto: Equazioni alle Differenze (Lucidi 11 - 13). Link al filmato su YouTube (durata: 22 min. circa).
05. Introduzione alle Trasformate Z: Definizione ed Esempi di Calcolo di Funzioni di Riferimento (Lucidi 15 - 23). Link al filmato su YouTube (durata: 23 min. circa).
06. Esempio di Calcolo della Trasformata Z del Gradino Unitario (Approfondimento) (Lucido 20). Link al filmato su YouTube (durata: 11 min. circa).
07. Principali Proprietà delle Trasformate Z (Lucidi 24 - 34). Link al filmato su YouTube (durata: 25 min. circa).
08. Cenni sui Principali Medodi di Calcolo dell'Antitrasformata Z (Lucidi 36 - 40). Link al filmato su YouTube (durata: 17 min. circa).
12. Risposta in Frequenza del Mantenitore di Ordine Zero (Lucidi 56 - 61). Link al filmato su YouTube (durata: 18 min. circa).
13. Relazione Fondamentale tra Piano s e Piano z: Proprietà Topologiche (Lucidi 62 - 66). Link al filmato su YouTube (durata: 32 min. circa).
14. Mappe tra Piano s e Piano z: Esempi (Lucidi 67 - 71). Link al filmato su YouTube (durata: 37 min. circa).
15. Luogo dei punti a δ Costante nel Piano z (Approfondimento) (Lucidi 69 - 70). Link al filmato su YouTube (durata: 16 min. circa).
16. Funzione di Trasferimento Discreta e Funzione di Risposta Armonica (Risposta Frequenziale) per Sistemi a Tempo Discreto (Lucidi 74 - 76). Link al filmato su YouTube (durata: 29 min. circa).
17. Condizioni di Stabilità per Sistemi a Tempo Discreto: Analisi dei Poli della Funzione di Trasferimento a Tempo Discreto (Lucidi 77 - 83). Link al filmato su YouTube (durata: 33 min. circa).
18. Stabilità per Sistemi a Blocchi a Tempo Discreto in Retroazione (Lucidi 84 - 85). Link al filmato su YouTube (durata: 18 min. circa).
19. Confronto delle Condizioni di Stabilità tra Sistemi a Tempo Continuo e a Tempo Discreto (Lucidi 71 - 72). Link al filmato su YouTube (durata: 17 min. circa).
20. Diagramma di Nyquist e Stabilità per Sistemi a Tempo Discreto (Lucidi 86 - 92). Link al filmato su YouTube (durata: 32 min. circa).
21. Luogo delle Radici per Sistemi a Tempo Discreto (Lucidi 95 - 95). Link al filmato su YouTube (durata: 21 min. circa).
22. Errori a Regime: Specifiche a Regime (Lucidi 96 - 99). Link al filmato su YouTube (durata: 37 min. circa).
23. Errore a Regime per Sistemi a Tempo Discreto (Lucidi 100 - 101). Link al filmato su YouTube (durata: 32 min. circa).
31. Progetto Diretto del Regolatore Digitale (Lucidi 147 - 148). Link al filmato su YouTube (durata: 22 min. circa).
31a. Esempio Numerico di Progetto Diretto di Regolatore Digitale (Lucidi 149 - 156). Link al filmato su YouTube (durata: 38 min. circa).
32. Regolatori Standard PID: Richiamo del Controllore Analogico e Progetto del Regolatore PID Digitale (Lucidi 157 - 169). Link al filmato su YouTube (durata: 52 min. circa).
33. Scelta Pratica del Tempo di Campionamento (Lucido 174). Link al filmato su YouTube (durata: 16 min. circa).
34. Considerazioni Conclusive sul Corso: Conoscenze, Abilità e Competenze. Link al filmato su YouTube (durata: 45 min. circa).
Esercizi di Progetto di Sistemi di Controllo Digitale: Testo del Problema, Soluzioni con Commenti, e Filmati delle Esercitazioni su YouTube
E0. Teoria dei Poli Dominanti per il Progetto Pratico di Sistemi di Controllo Digitale. Link al filmato su YouTube (durata: 49 min. circa).
A4. Tipologie di Esercizi di Progetto del Sistema di Controllo Digitale Proposti all'Esame: (File in formato PDF). Risoluzione degli esercizi proposta dal docente: (File in formato PDF).
A5. Problemi Vari Senza Soluzione. 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).
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