Sistemi di Controllo Digitale 6 CFU

Digital Control Systems - A.A. 2025/2026

Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica e Informatica (L-8), percorso Ingegneria dell’Automazione (3° anno, 6 CFU, 60 ore) • Dipartimento di Ingegneria — Università di Ferrara

Informazioni rapide

Google Classroom: accedi con il codice 3yosv3pz

Lezioni in presenza: martedì 11:00–13:30 e giovedì 08:30–11:00 — Lab. INFO2 (Corpo F).

Periodo didattico (CINECA): Secondo semestre (dal 19/02/2026 al 05/06/2026).
Modalità didattica (CINECA): convenzionale. Durata: 60 ore (lezione).
SSD (CINECA): ING-INF/04. Valutazione: voto finale.
Attività erogata in mutuazione. Attività principale collegata: “Sistemi di Controllo Digitale + Azionamenti Elettrici”.
Scheda ufficiale (CINECA): pagina del corso.

Nota: sono disponibili registrazioni e materiali integrativi. Risulta possibile richiedere materiale didattico e supporto all’apprendimento anche in lingua inglese.

Insegnamenti / Corsi di studio

Insegnamento per il Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica e Informatica (L-8, 6 CFU, percorso Ingegneria dell'Automazione).

Rilevazione delle opinioni e stili di vita (AQ / PRISMA)

Assicurazione Qualità Didattica UniFE: Pagina AQ della Didattica
Accesso ai risultati: Risultati della rilevazione delle opinioni delle studentesse e degli studenti.
Stili di Vita della Popolazione Studentesca: Progetto PRISMA: Indagine/Ricerca sul Benessere. Lucidi della presentazione dell'indagine.

Propedeuticità

Fondamenti di Automatica o Controlli Automatici, Analisi I, Analisi II, Fisica I (suggeriti per la comprensione del corso).
Tutti gli esami del I anno della Laurea Triennale (necessari per sostenere l'esame finale).

Per affrontare con profitto il corso sono utili: concetti di calcolo differenziale e integrale, modellizzazione di sistemi dinamici, stabilità, analisi in transitorio e a regime, e capacità di usare strumenti informatici per la progettazione assistita.

Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso, partendo dalle basi fornite dai moduli di Controlli Automatici, fornisce gli elementi di analisi e progetto software dei regolatori digitali, ossia dei 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 vengono supportate da strumenti e pacchetti software di progettazione assistita (Matlab e Simulink).

Introduzione al corso (testo descrittivo)

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 rappresenta un nucleo disciplinare importante per l’automazione dei processi industriali e il controllo di macchine, ed è il naturale sviluppo dei contenuti di Controlli Automatici. Il corso fornisce sviluppi metodologici ed esempi di analisi e progetto risolti in dettaglio negli aspetti numerici, grazie all’impiego di Matlab e Simulink. L’orario delle lezioni segue quello definito per la 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.

In coerenza con la scheda CINECA, il corso include anche una riflessione sulle implicazioni di costo, complessità computazionale e consumo energetico nelle scelte progettuali dei sistemi digitali.

Programma e principali contenuti

Sistemi di Controllo Digitale (6 CFU)
La struttura dell'anello di controllo digitale: componenti e tipi di segnale.
Equazioni alle differenze. Trasformata Z: 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. Regolatori PID digitali.

Il programma operativo (lezioni, esercitazioni, esempi e materiali) è riportato nelle sezioni successive e viene aggiornato progressivamente durante il semestre.

Modalità di verifica dell’apprendimento

L'esame consiste in due parti, da svolgersi nello stesso giorno: (1) prova pratica al calcolatore (Matlab e Simulink), durata 30 minuti, finalizzata a verificare la capacità di impostare e comprendere un semplice progetto di controllo digitale sotto vincoli prestazionali; (2) quiz scritto a scelta multipla sugli argomenti del corso, durata 15 minuti. Il punteggio massimo della prova pratica è 22 punti, mentre il quiz consente un massimo di 9 punti. Il voto finale è dato dalla somma dei due punteggi. Per accedere alla parte (2) è necessario ottenere almeno 18 punti nella parte (1).

Durante le prove non è consentita la consultazione di materiali didattici, testi, appunti o dispositivi elettronici. Su richiesta, è possibile sostenere l’esame anche in lingua inglese. In caso di esito insufficiente in una delle due prove o di punteggio complessivo inferiore a 18, l’intero esame deve essere ripetuto; in caso di rifiuto voto, fa fede l’ultima prova sostenuta (anche se con esito inferiore).

Metodi didattici

Le lezioni sono in presenza. Sono disponibili le registrazioni di supporto; si consiglia comunque di seguire le lezioni. La prova a quiz dell'esame è preceduta dallo svolgimento al calcolatore del progetto di sistema di controllo digitale.

In coerenza con la scheda CINECA, il corso prevede lezioni teoriche ed esercitazioni guidate al calcolatore, con l'utilizzo del Laboratorio di Informatica e accesso a materiali integrativi (dispense, esempi, video).

Materiale didattico: dispense e lucidi

1. Controllo Digitale. Lucidi delle lezioni pagina singola (481kB).
2. Introduzione a Matlab. Lucidi delle lezioni pagina singola (850kB).
3. Introduzione al Control System Toolbox di Matlab e Simulink. Lucidi delle lezioni pagina singola (275kB).
4. Lucidi sulla Sostenibilità. Lucidi a pagina singola (in inglese).

Lezioni in laboratorio (in presenza) e registrazioni

25/02/2025. Introduzione al Corso: commenti al syllabus e alla scheda di insegnamento. Link al filmato su YouTube (durata: 38 min. circa).
25/02/2025. Commento al Piano di Studi della Laurea Triennale L8 in Elettronica e Informatica (curriculum Automazione). Link al filmato su YouTube (durata: 18 min. circa).
25/02/2025. Commento al Piano di Studi della Laurea Magistrale LM32 in Ingegneria Informatica e Automazione, percorso Automazione e Robotica. Link al filmato su YouTube (durata: 15 min. circa).
25/02/2025. Possibili argomenti di tesi nel settore dell'Automazione e Robotica. Link al filmato su YouTube (durata: 8 min. circa).
27/02/2025. Il ruolo dell'Automazione nell'Industria, nell'Accademia e nella Società. Indagine ANIPLA. PDF 2019; PDF aggiornato 2023; filmato su YouTube (durata: 29 min. circa).
01. 27/02/2025. Introduzione ai Sistemi di Controllo Digitale (Lucidi 1 - 7). Link al filmato su YouTube (durata: 32 min. circa).
27/02/2025 - 04/03/2025. Introduzione a Matlab: commento ai lucidi e principali comandi. prima parte (31 min., lucidi 1-11); seconda parte (59 min., lucidi 12-25); terza parte (13 min., lucidi 26-27). Script Matlab salvati durante la lezione (zip).
04/03/2025 - 06/03/2025. Elementi di grafica 2D e 3D in Matlab. prima parte (22 min., lucidi 28-33); seconda parte (37 min., lucidi 37-48). File esercitazione (zip); Esempi grafica 3D (zip).
02. 06/03/2025. Elementi di base dei sistemi di controllo digitale in retroazione (Lucidi 8 - 9). parte 1 (17 min., lucido 8); parte 2 (7 min., lucido 9). Note (PDF). Script Matlab: campionamento ideale/reale; campionamento; campionamento e tenuta (ZOH). filmato con commenti alle simulazioni (10 min.).
03. 06/03/2025. Il mantenitore di ordine zero: esempio di calcolo della funzione di trasferimento (approfondimento). Link al filmato su YouTube (17 min.). Note (PDF).
04. 11/03/2025. Descrizione matematica dei sistemi a tempo discreto: equazioni alle differenze (Lucidi 11 - 13). Link al filmato su YouTube (42 min.).
05. 11/03/2025. Introduzione alle trasformate Z (Lucidi 15 - 23). Link al filmato su YouTube (49 min.).
06. 11/03/2025. Esempio: trasformata Z del gradino unitario (approfondimento) (Lucido 20). Link al filmato su YouTube (11 min.).
07. 13/03/2025. Principali proprietà delle trasformate Z (Lucidi 24 - 34). prima parte (55 min.); seconda parte (25 min.). File Matlab: calcolo trasformate Z (zip) (1kB); filmato extra (18 min.).
08. 18/03/2025. Cenni sui metodi di calcolo dell'antitrasformata Z (Lucidi 36 - 40). Link al filmato su YouTube (30 min.). file Matlab (zip) (1kB). Note (PDF) (176kB).
18/03/2025 - 20/03/2025. Introduzione al Control System Toolbox e Simulink. parte 1 (21 min.); parte 2 (44 min.); parte 3 (23 min.). File Simulink (zip) (26kB).
20/03/2025. Esempio di schema di controllo con Simulink e Control System Toolbox. Link al filmato su YouTube (33 min.). File Simulink (zip) (26kB).
20/03/2025. Simulink e mantenitore di ordine zero: esempio di utilizzo. Link al filmato su YouTube (40 min.). schema regolatore (zip) (39kB); ZOH in Simulink (zip) (24kB).
09. 27/03/2025. Relazione tra trasformata Z e trasformata di Laplace di un segnale campionato (Lucidi 43 - 48). parte 1 (51 min.); parte 2 (40 min.). Appunti (PDF) (388kB).
10. 01/04/2025. Spettro di un segnale campionato (Lucidi 49 - 55). Link al filmato su YouTube (59 min.).
11. 01/04/2025. Risposta in frequenza del mantenitore di ordine zero (Lucidi 56 - 61). Link al filmato su YouTube (33 min.). Note (PDF) (244kB).
12. 01/04/2025. Note sul problema del campionamento (approfondimento). Link al filmato su YouTube (30 min.). file Matlab (zip) (2kB); filmato extra (10 min.).
13. 01/04/2025. Relazione fondamentale tra piano s e piano z (Lucidi 62 - 66). Link al filmato su YouTube (44 min.).
14. 01/04/2025. Mappe tra piano s e piano z: esempi (Lucidi 67 - 71). Link al filmato su YouTube (32 min.). Note (PDF) (174kB).
15. 01/04/2025. Luogo dei punti a δ costante nel piano z (approfondimento). Link al filmato su YouTube (16 min.).
16. 03/04/2025. Funzione di trasferimento discreta e risposta armonica per sistemi a tempo discreto (Lucidi 74 - 76). Link al filmato su YouTube (49 min.). Note (PDF) (157kB).
03/04/2025. Control System Toolbox e Simulink: elementi per i sistemi a tempo discreto. Link al filmato su YouTube (22 min.).
17. 03/04/2025 - 08/04/2025. Condizioni di stabilità per sistemi a tempo discreto (Lucidi 77 - 83). parte 1 (22 min.); parte 2 (24 min.).
18. 08/04/2025. Stabilità per schemi a blocchi a tempo continuo e discreto in retroazione unitaria (Lucidi 84 - 85). Link al filmato su YouTube (17 min.).
19. 08/04/2025. Confronto condizioni di stabilità tra sistemi continui e discreti. Link al filmato su YouTube (18 min.).
20. 08/04/2025. Diagramma di Nyquist e stabilità per sistemi LTI (Lucidi 86 - 92). Link al filmato su YouTube (41 min.).
08/04/2025. Control System Toolbox: Bode e Nyquist per la stabilità. Link al filmato su YouTube (9 min.). file Matlab (1kB).
21. 10/04/2025. Luogo delle radici per sistemi a tempo continuo e discreto (Lucidi 95 - 96). parte 1 (64 min.); parte 2 (9 min.); parte 3 (9 min.). file Matlab/Simulink (zip).
22. 10/04/2025. Principio dei poli dominanti (approfondimento). Link al filmato su YouTube (49 min.).
23. 10/04/2025. Errori a regime: specifiche continuo/discreto. Link al filmato su YouTube (13 min.). appunti (PDF) (125kB).
24. 15/04/2025. Specifiche in transitorio e specifiche frequenziali. parte 1 (48 min.); parte 2 (26 min.). appunti (PDF) (378kB).
25. 15/04/2025. Esempio di progetto continuo e discreto. parte 1 (20 min.); parte 2 (47 min.). file (zip) (670kB).
26. 06/05/2025. Tecniche di progetto: metodo indiretto, metodo diretto e regolatori PID. Link al filmato su YouTube (11 min.).
27. 06/05/2025 - 08/05/2025. Tecniche di discretizzazione. parte 1 (42 min.); parte 2 (28 min.).
08/05/2025. Interpretazione delle tecniche di discretizzazione (approfondimento). Link al filmato su YouTube (35 min.). appunti (PDF) (222kB).
28. 08/05/2025. Reti correttrici - richiami. Link al filmato su YouTube (30 min.).
29. 08/05/2025. Progetto diretto del regolatore digitale ed esempio numerico. Link al filmato su YouTube (36 min.).
30. 08/05/2025 - 13/05/2025. Regolatori standard PID: richiamo analogico e progetto PID digitale. parte 1 (6 min.); parte 2 (39 min.).
31. 13/05/2025. Scelta pratica del tempo di campionamento. Link al filmato su YouTube (6 min.).
32. 15/05/2025. Considerazioni conclusive sul corso. Link al filmato su YouTube (45 min.).

Esempi di progetto di schemi di controllo digitale

15/04/2025. Progetto in Simulink: schema di controllo continuo e discreto. File (zip, 670kB). Filmato su YouTube (1h 48m circa). Appunti (PDF) (200kB).
13/05/2025. Esercizio: regolatori standard PID (Ziegler-Nichols, autotuning con Simulink). Testo (PDF). Appunti (PDF). Soluzione Simulink (.slx); Dati Matlab (.mat). Risoluzione (PDF). Filmato soluzione (YouTube) (46 min.); Filmato lezione (YouTube) (54 min.).
15/05/2025. Progetto in Simulink: controllo continuo per sistema a fase non minima. File (zip). Filmato su YouTube (1h 46m circa). Discussione (YouTube) (19 min.).
15/05/2025. Esempio di progetto diretto: luogo delle radici a tempo discreto. Testo (PDF). Appunti (PDF). Soluzione Simulink (.slx); Dati Matlab (.mat). Risoluzione (PDF). Filmato soluzione (YouTube) (57 min.). Prima parte (YouTube) (41 min.); Seconda parte (YouTube) (33 min.).
20/05/2025. Esempio di progetto indiretto: Tustin e Hold Equivalence. Testo (PDF). Appunti (PDF). Soluzione Simulink (.slx); Dati Matlab (.mat). Risoluzione (PDF); File complessivi (zip). Filmato offline (YouTube) (1h 20m); Filmato lezione (YouTube) (54 min.).
20/05/2025. Esempio di progetto diretto: tracking antenna satellitare. Testo (PDF). Appunti (PDF). Soluzione Simulink (.slx); Dati Matlab (.mat). Risoluzione (PDF). Filmato offline (YouTube) (27 min.); Filmato lezione (YouTube) (45 min.).
22/05/2025. Esempio di progetto PD: taratura empirica e Simulink. Testo (PDF). Appunti (PDF); Note (PDF). Soluzione Simulink (.slx); Dati Matlab (.mat). Risoluzione (PDF). Filmato offline (YouTube) (37 min.); Filmato aula (YouTube) (46 min.).
22/05/2025. Esempio di progetto indiretto: modello del terzo ordine. Testo (PDF). Appunti (PDF); Note (PDF). Soluzione Simulink (.slx); Dati Matlab (.mat). Risoluzione (PDF). Filmato offline (YouTube) (33 min.); Filmato aula (YouTube) (41 min.).
27/05/2025. Esempio di progetto diretto: modello del secondo ordine (tempo continuo). Testo (PDF). Appunti (PDF). Soluzione Simulink (.slx); Dati Matlab (.mat). Risoluzione (PDF). Filmato offline (YouTube) (29 min.); Filmato aula (YouTube) (30 min.).
27/05/2025. Esempio di progetto indiretto: proporzionale + rete anticipatrice (Tustin). Testo (PDF). Appunti (PDF). Soluzione Simulink (.slx); Dati Matlab (.mat). Risoluzione (PDF). Filmato (YouTube) (1h 20m); Filmato aula (YouTube) (30 min.).
27/05/2025. Esempio di progetto PID: modello del quarto ordine. Testo (PDF). Appunti (PDF). Soluzione Simulink (.slx); Dati Matlab (.mat). Risoluzione (PDF). Filmato offline (YouTube) (27 min.); Filmato aula (YouTube) (30 min.).
27/05/2025. Esempio di progetto diretto: modello del secondo ordine (tempo discreto). Testo (PDF). Appunti (PDF). Soluzione Simulink (.slx); Dati Matlab (.mat). Risoluzione (PDF). Filmato offline (YouTube) (31 min.); Filmato aula (YouTube) (22 min.).
29/05/2025. Esempio di progetto indiretto: rete anticipatrice (modello motore elettrico + carico). Testo (PDF). Appunti (PDF); Note (PDF). Soluzione Simulink (.slx); Dati Matlab (.mat). Risoluzione (PDF). Filmato offline (YouTube) (46 min.).
29/05/2025. Esempio di progetto diretto (variante). Testo (PDF). Soluzione Simulink (.slx); Dati Matlab (.mat). Risoluzione (PDF). Filmato offline (YouTube) (57 min.).

Test di autovalutazione (preparazione per la prova d'esame)

A1. Quiz teoria: PDF senza soluzioni. PDF con soluzioni; commento filmato: Google Drive (durata: 15 min. circa).
A2. Autovalutazione (metodo indiretto in Matlab/Simulink): PDF senza soluzione. Appunti (PDF). Soluzione Simulink (.slx); Dati Matlab (.mat). Svolgimento (PDF). Video su YouTube (durata: 53 min. circa).
A3. Quiz teoria (secondo set): PDF senza soluzione. PDF con soluzioni.
A4. Tipologie di esercizi di progetto proposti all’esame: PDF. Soluzioni (PDF).

Documenti tecnici su Matlab e Simulink

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

Riferimenti bibliografici (approfondimenti facoltativi)

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, vol. II, EdiSES s.r.l., 2005. ISBN: 88 7959 308 0.

Ulteriori testi facoltativi indicati nella scheda CINECA includono (non obbligatori): R. Isermann, Digital Control Systems, Vol. 1, Springer-Verlag; C. L. Phillips, H. T. Nagle, Digital Control System Analysis and Design, Prentice-Hall; G. Guardabassi, Elementi di Controllo Digitale, CLUP – Città Studi.

Sostenibilità

Il corso include una riflessione sulle implicazioni ambientali delle soluzioni di controllo digitale. In particolare, si discutono l’importanza dell’efficienza energetica, la riduzione dello spreco computazionale e l’ottimizzazione delle risorse nei moderni sistemi di automazione, promuovendo scelte progettuali consapevoli (anche in relazione a prestazioni, affidabilità e complessità).

Collegamenti tipici: efficienza energetica e riduzione consumi (SDG 7), innovazione industriale (SDG 9), produzione responsabile e uso efficiente delle risorse (SDG 12), mitigazione impatti (SDG 13).

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