SISTEMI DI CONTROLLO DIGITALE
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2021/2022
- Docente
- SILVIO SIMANI
- Crediti formativi
- 6
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- ING-INF/04
Obiettivi formativi
- L'ACCESSO ALLE STRUTTURE DIDATTICHE PER SEGUIRE IL CORSO SARA' POSSIBILE SOLO PER GLI STUDENTI IN POSSESSO DI REGOLARE GREEN PASS "RAFFORZATO"
Il corso rappresenta il primo insegnamento di Controllo Digitale ed esamina gli elementi di base di un sistema di controllo in retroazione in cui la legge di controllo è generata da un modulo digitale. Tale sistema viene studiato dal punto di vista della modellistica matematica, dell’analisi, della sintesi, e della simulazione.
L'obiettivo principale del corso consiste quindi nel fornire agli studenti gli elementi di base per affrontare il progetto, l'analisi e la sintesi di un sistema di controllo digitale in retroazione, tenendo conto delle interconnessioni, e degli elementi inseriti nell'anello, con i vincoli imposti dalle prestazioni richieste in termini di velocità della risposta, stabilità, immunità ai disturbi, ma senza trascurare costo di implementazione e consumo di potenza.
Le principali conoscenze acquisite riguarderanno:
- gli elementi di base di un sistema digitale dal punto di vista funzionale, trattando l’informazione come flusso ingresso-uscita;
- metodologie per l'analisi della risposta dei sistemi a tempo discreto, in condizioni dinamiche;
- caratteristiche fondamentali degli elementi costitutivi di un sistema di controllo digitale;
- le metodologie principali di progetto di un sistema di controllo digitale in retroazione;
- gli strumenti di analisi, sintesi e simulazione dei sistemi di controllo digitale in retroazione, tenendo conto dei vincoli imposti dalle prestazioni richieste in termini di costo, velocità, costo computazionale, immunità ai disturbi e consumo di potenza;
- conoscenze di base dei convertitori A/D e D/A e degli elementi di ritardo;
- fondamenti degli strumenti matematici utilizzati per la descrizione e la simulazione del comportamento dei sistemi dinamici a tempo discreto;
- conoscenza delle caratteristiche principali del programma software per il progetto e la simulazione di un sistema di controllo digitale in retroazione.
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:
- saper analizzare il comportamento di un sistema dinamico digitale in condizioni statiche e dinamiche;
- identificare i vincoli di progetto che determinano la scelta della legge di controllo e del regolatore all'interno di un sistema digitale in retroazione;
- valutare il comportamento dinamico del convertitore A/D o D/A, la scelta del tempo di campionamento, e la strategia del sistema di controllo più adatto per una determinata applicazione;
- l'utilizzo del calcolatore come strumento di progettazione assistita e dei programmi di simulazione per l’analisi e la sintesi dei sistemi dinamici digitali in retroazione. Prerequisiti
- L'ACCESSO ALLE STRUTTURE DIDATTICHE PER SEGUIRE IL CORSO SARA' POSSIBILE SOLO PER GLI STUDENTI IN POSSESSO DI REGOLARE GREEN PASS "RAFFORZATO"
E’ necessario avere acquisito e assimilato le seguenti conoscenze fornite dai corsi di Analisi, Fisica, Fondamenti di Automatica o Controlli Automatici, e in particolare:
- i concetti elementari di Analisi Matematica e del Calcolo Integrale e Differenziale;
- le conoscenze dei concetti fondamentali di Fisica, in particolare quelli relativi alla modellistica dei sistemi dinamici;
- gli strumenti e i principi per l'analisi della stabilità dei sistemi dinamici e la loro applicazione pratica a schemi in retroazione;
- metodi e strumenti matematici per analizzare gli schemi in retroazione sia a regime, sia in transitorio;
- conoscenze di base dei sistemi statici e dinamici fornite nei corsi di base degli insegnamenti di Analisi Matematica, Fisica e Fondamenti di Automatica (Controlli Automatici);
- capacità di analizzare e progettare sistemi di controllo a tempo continuo e discreto al fine di rispettare i vincoli imposti impiegando gli strumenti per la progettazione assistita al calcolatore. Contenuti del corso
- L'ACCESSO ALLE STRUTTURE DIDATTICHE PER SEGUIRE IL CORSO SARA' POSSIBILE SOLO PER GLI STUDENTI IN POSSESSO DI REGOLARE GREEN PASS "RAFFORZATO"
Il corso prevede 60 ore di didattica tra lezioni ed esercitazioni. In particolare sono previste 45 ore di lezione di teoria e 15 ore di esercitazioni guidate al calcolatore.
Introduzione al Controllo Digitale.
Differenza tra controllo analogico e digitale - Elementi costitutivi di un sistema di controllo digitale (a livello di circuito: singoli elementi; a livello di schema di controllo: blocchi funzionali) - Problematiche di progettazione per i diversi livelli di astrazione - Cenni sull'evoluzione della progettazione - Differenza tra situazione ideale a caso reale
Schemi di controllo statici e dinamici.
Richiami sugli schemi elementari ad anello aperto e in retroazione. La risposta di un sistema a tempo continuo e a tempo discreto. I parametri caratteristici della risposta in transitorio e a regime. Caratteristiche in frequenza e margini di stabilità.
Proprietà dei sistemi digitali elementari.
Proprietà funzionali, modellistica, parametri di confronto (costo, prestazioni, affidabilità,...) - Caratteristiche ingresso uscita nel dominio del tempo e delle frequenze - Caratteristiche dinamiche
Modellistica dei sistemi a tempo discreto.
Equazioni alle differenze e confronto con le equazioni differenziali. Stabilità e trasformate Z – Confronto con le Trasformate di Laplace
Campionamento e conversione di segnali.
Diverse problematiche tra schema di controllo a tempo continuo e a tempo discreto – Implementazione del sistema da controllare - Confronto tra realizzazione a tempo continuo e tempo discreto - Reti di Controllo – Elementi di ritardo e di memoria – Modello schematico e strategie di controllo
Stabilità nei sistemi digitali.
La stabilità ingresso uscita – la funzione di trasferimento – Poli e Zeri – Il problema del campionamento – Relazione tra piano s e piano z – Legame tra Z- trasformata e Trasformata di Laplace - Problemi a causa della scelta del tempo di campionamento.
Tecniche di discretizzazione.
Metodi di Eulero in Avanti e Indietro – Metodo dell’Hold Equivalence – Metodo di Tustin – Metodo della Z-Trasformata.
Conversione A/D e D/A.
Teoria della conversione e del campionamento – Caratteristiche generali dei convertitori – Convertitori D/A (mantenitore di ordine zero – Zero Order Hold). Convertitori A/D (con campionatore ideale e Delta di Dirac) – Cenni sul Filtro antialiasing – Circuito di Sample&Hold nel dominio del tempo e in frequenza.
Schemi di controllo in retroazione.
Controllo con rete anticipatrice e ritardatrice – Controllo con retroazione uscita - ingresso – Controllo con regolatore standard PID – Progetto per discretizzazione – Progetto per equivalenza – Progetto con luogo delle radici e con diagrammi di Bode.
Simulazione e progettazione di schemi di controllo digitale (lezioni guidate al calcoatore).
Introduzione a (Matlab e) Simulink - Esercitazioni di laboratorio relative alla simulazione di sistemi di controllo digitali di media ed elevata complessità. Metodi didattici
- L'ACCESSO ALLE STRUTTURE DIDATTICHE PER SEGUIRE IL CORSO SARA' POSSIBILE SOLO PER GLI STUDENTI IN POSSESSO DI REGOLARE GREEN PASS "RAFFORZATO"
Il corso è organizzato nel seguente modo:
16 lezioni di 2.5 ore in Laboratorio di Informatica su tutti gli argomenti teorici del corso;
8 esercitazioni di 2.5 ore presso il Laboratorio di Informatica per la simulazione e il progetto di circuiti digitali a media ed elevata complessità. Gli studenti seguiranno 8 esercitazioni guidate di 2.5 ore ciascuna, precedute da una lezione di presentazione. Al termine delle esercitazioni guidate gli studenti avranno libero accesso al Laboratorio di Informatica per eventuali ed ulteriori esercitazioni individuali. Modalità di verifica dell'apprendimento
- L'ACCESSO ALLE STRUTTURE DIDATTICHE PER SEGUIRE IL CORSO SARA' POSSIBILE SOLO PER GLI STUDENTI IN POSSESSO DI REGOLARE GREEN PASS "RAFFORZATO"
L’obiettivo della prova d’esame consiste nel verificare il livello di raggiungimento degli obiettivi formativi precedentemente indicati, e in particolare:
- la conoscenza delle metodologie di progetto, analisi e sintesi di un sistema di controllo digitale in retroazione, al fine di garantire le specifiche richieste;
- la capacità di implementare ed analizzare uno schema di controllo digitale in retroazione al fine di rispettare le specifiche richieste dal problema, utilizzando gli strumenti di progettazione assistita al calcolatore.
A tal fine, l’esame è diviso in 2 parti, che hanno luogo nello stesso giorno.
Il progetto e la simulazione di un semplice schema di controllo digitale mediante il programma Matlab e Simulink, con l’obiettivo di valutare se lo studente ha la capacità di sviluppare e comprendere il progetto di uno schema di controllo digitale per arrivare soddisfare le prestazioni richieste. La prova ha lo scopo di valutare anche la comprensione degli argomenti di base e ha carattere di selezione (lo studente che non mostri una sufficiente conoscenza degli argomenti non è ammesso alla prove successiva). Per superare la prova è necessario acquisire almeno 18 punti su 24. Il tempo previsto per la prova è di massimo 30 minuti. Non è possibile consultare alcun materiale didattico fornito dal docente.
Una prova di domande scritte a quiz (quiz a risposta multipla) su tutti gli argomenti trattati nel corso e sui concetti fondamentali del corso di “Sistemi di Controllo Digitale”. La prova ha lo scopo di valutare lo studio della materia e la comprensione degli argomenti di base del controllo digitale, e consente di ottenere un punteggio da 0 a 6 punti su 6. Il tempo previsto per la prova è di 15 minuti massimo.
Il voto finale è dato dalla somma dei 2 punteggi. Per superare l’esame è necessario acquisire un punteggio minimo di 18 su 30. Qualora la prima prova risulti insufficiente, o qualora il punteggio totale sia inferiore a 18, è necessario ripetere tutte e due le prove.
Il superamento dell'esame è prova di aver acquisito le conoscenze e le abilità specificate negli obiettivi formativi dell'insegnamento.
Nel caso in cui lo studente non accetti il voto proposto dal docente per l'esame, si potrà ripetere la prova, ma verrà considerato valido sempre e comunque il risultato dell'ultimo esame sostenuto (anche se il voto risulterà inferiore).
Si segnala infine che è possibile sostenere le prove d'esame in lingua Inglese. Testi di riferimento
- Il docente fornirà appunti, dispense, esempi, lucidi delle lezioni, filmati e streaming delle lezioni, e altro materiale integrativo necessari per acquisire le competenze e le abilità richieste, e ai fini della preparazione dell'esame. Tutto il materiale sarà periodicamente aggiornato e reso disponibile alla pagina personale del sito dell'insegnamento predisposto dal docente al link:
http://www.silviosimani.it/lessons.html
Argomenti specifici trattati nel corso possono essere approfonditi sui seguenti testi, che però
non sono necessari per preparare l'esame né per seguire le lezioni:
C. Bonivento, C. Melchiorri R. Zanasi, Sistemi di Controllo Digitale; Esculapio S.R.L. marzo 1995.
R. Isermann, Digital Control Systems, vol. 1; Springer-Verlag 2001.
C. L. Phillips, H. T. Nagle, Digital Control System Analysis and Design; Prentice-Hall 2005.
G. Guardabassi, Elementi di Controllo Digitale; clup - città studi 2004.
Si segnala infine che è possibile avere materiale o supporto didattico dell’insegnamento in lingua Inglese.
