Il corso si propone di presentare i contenuti di base dell'Automatica. A tale scopo, vengono presentati gli strumenti metodologici propri della Teoria dei Sistemi e dei Controlli Automatici, corredandoli con esempi sia numerici che ispirati a casi concreti. Si studia la classe dei sistemi dinamici a tempo continuo, con particolare riferimento ai sistemi lineari. Si svolge l'analisi di tali sistemi sia nel dominio del tempo che in quello delle frequenze. Viene poi analizzato il ruolo della retroazione e si studiano la stabilità e le prestazioni dei sistemi retroazionati. Si definiscono i requisiti di un sistema di controllo e viene illustrata una metodologia di progetto di controllori automatici. Si illustrano infine i principali tipi di regolatori industriali e le problematiche relative alla realizzazione di sistemi di controllo digitale. L'obiettivo finale del corso è quello di fornire agli allievi gli strumenti concettuali e operativi necessari per l'analisi e la progettazione di sistemi di controllo.

1. Introduzione ai problemi di controllo. Il problema del controllo. Progetto del controllore. Controllo in anello aperto e anello chiuso. Architetture e componenti dei sistemi di controllo. Strumentazione.

2. Sistemi dinamici a tempo continuo. Introduzione ai sistemi dinamici. Rappresentazione di stato. Movimento. Equilibrio. Sistemi dinamici lineari invarianti. Movimento libero e forzato. Sovrapposizione degli effetti. Sistemi non lineari: linearizzazione.

3. Stabilità. Stabilità di movimenti ed equilibri. Stabilità dei sistemi lineari invarianti. Criteri di stabilità. Criterio di Routh. Stabilità degli stati di equilibrio di sistemi non lineari.

4. Analisi nel dominio delle trasformate. Trasformata di Laplace. Sviluppo di Heaviside. Funzione di trasferimento. Risposte a segnali canonici. Approssimazione a poli dominanti. Sistemi a fase non minima. Sistemi interconnessi e schemi a blocchi: collegamenti in serie, parallelo e retroazione. Stabilità di sistemi interconnessi.

5. Risposta in frequenza. Definizione di risposta in frequenza e proprietà. Interpretazione dei sistemi dinamici come filtri. Rappresentazioni grafiche della risposta in frequenza: diagrammi polari e di Bode. Sistema con ritardo. 

6. Analisi dei sistemi retroazionati. Introduzione ai sistemi retroazionati. Stabilità di sistemi retroazionati. Criterio di Nyquist con estensioni. Robustezza della stabilità: margine di fase e margine di guadagno. Criterio di Bode. Analisi delle prestazioni di sistemi retroazionati: analisi dinamica (transitorio e tempo di assestamento), analisi statica (comportamento di regime con ingressi canonici e sinusoidali).

7. Progetto del regolatore. Introduzione al problema di progetto. Requisiti dei sistemi di controllo: stabilità, precisione statica e dinamica, compensazione dei disturbi, robustezza. Introduzione al progetto di regolatori basato sul criterio di Bode e sull'analisi in frequenza, e di compensatori. 

8. Controllori industriali standard. Regolatori PID: problemi realizzativi e metodi di taratura. 

9. Segnali e sistemi a tempo discreto.  Introduzione a segnali e sistemi a tempo discreto. Sistemi dinamici lineari a tempo discreto. Equilibrio e stabilità. Trasformata Zeta. Funzione di trasferimento.

10. Controllo digitale. Struttura e descrizione dei sistemi di controllo digitale (convertitori A/D e D/A). Scelta del periodo di campionamento. Realizzazione digitale di regolatori analogici.

Sono necessarie conoscenze elementari di analisi matematica e geometria, con particolare riferimento ad operazioni sui numeri complessi, al calcolo differenziale e integrale, alle equazioni differenziali lineari e all'algebra delle matrici. Sono utili anche conoscenze di base di meccanica, termodinamica ed elettrotecnica, per una migliore comprensione dei modelli di semplici sistemi fisici e di circuiti elettrici elementari, che vengono impiegati negli esempi.