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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2019/2020
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 083401 - FONDAMENTI DI AUTOMATICA (PER AEROSPAZIALI)
Docente Rocco Paolo
Cfu 8.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (1 liv.)(ord. 270) - BV (350) INGEGNERIA AEROSPAZIALE*EP083401 - FONDAMENTI DI AUTOMATICA (PER AEROSPAZIALI)

Obiettivi dell'insegnamento

Obiettivo formativo principale

Il corso si propone di introdurre l’allievo alla modellistica dinamica dei sistemi sottoposti a regolazione automatica e alla progettazione dei relativi dispositivi di controllo. Gli allievi apprenderanno gli elementi principali della teoria dei sistemi dinamici, sia nel dominio del tempo (sistemi in forma di stato), sia nel dominio delle trasformate (funzioni di trasferimento). Comprenderanno a fondo il ruolo giocato dalla retroazione nel modificare il comportamento dinamico di un sistema. Saranno in grado al termine del corso di progettare un controllore in tecnologia analogica secondo le metodologie tradizionali nel dominio della frequenza e di realizzarne la versione digitale.

 

Obiettivi formativi metodologici

Il corso si propone di enfatizzare la natura multidisciplinare dell’automatica, fornendo all’allievo strumenti per la descrizione matematica di sistemi di svariata natura nello stesso formalismo unificante, costituito dalla nozione di sistema dinamico. Gli allievi apprenderanno quindi che le medesime tecniche di analisi (di stabilità, di risposta in frequenza, ecc.) possono essere utilizzate per sistemi di natura molto diversa, così come il progetto del sistema di regolazione automatica può essere progettato prescindendo in larga misura dalla natura del sistema sotto controllo.

La collocazione del corso al secondo anno consentirà inoltre all’allievo di comprendere in una fase ancora propedeutica della propria formazione universitaria come diversi elementi forniti dai corsi di matematica di base (dai numeri complessi, alla teoria delle matrici, al concetto di autovalore, all’equazione differenziale) trovino diretta applicazione nella formalizzazione di problemi di immediata valenza ingegneristica.

 

Obiettivi formativi secondari

Il corso svilupperà la capacità di astrazione degli allievi, inducendoli a realizzare come dietro lo studio di un problema matematicamente formalizzato in forma astratta (come lo studio di un sistema di controllo in anello chiuso) ci siano delle implicazioni di immediata natura pratica, quali il desiderio che un sistema automatizzato reagisca prontamente alle sollecitazioni, sia preciso a regime e non esibisca oscillazioni nei transitori.

Inoltre alcune esercitazioni di carattere applicativo consentiranno di stabilire un legame con le tematiche proprie del corso di studi, grazie all’esemplificazione dei concetti nel contesto aeronautico.


Risultati di apprendimento attesi

Lo studente:

- ha conoscenza delle definizioni di sistema dinamico a tempo continuo o discreto e degli elementi che lo compongono, è in grado di rappresentarlo, sia nel dominio del tempo che nel dominio delle trasformate, e sa quali sono le ipotesi di validità dei teoremi che consentono di analizzarne le principali proprietà strutturali;

- ha conoscenza delle metodologie tradizionali nel dominio della frequenza per progettare un controllore analogico e delle tecniche per la realizzazione di una versione digitale del controllore stesso;

- sa costruire un sistema dinamico come modello di semplici problemi reali e sa utilizzare i risultati della teoria per verificarne le principali proprietà strutturali;

- è capace di affrontare la fase di progetto di un sistema di controllo in modo che esso soddisfi precise specifiche statiche e dinamiche, proponendo un opportuno regolatore in tecnologia analogica;

- è capace di realizzare la versione digitale di un regolatore analogico;

- sa usare la piattaforma Matlab e l'ambiente Simulink per realizzare simulazioni di sistemi in anello aperto e anello chiuso.


Argomenti trattati

Introduzione.

Il problema di controllo: formulazione ed esempi. Controllo in anello aperto e in anello chiuso. Strumentazione.

 

Sistemi dinamici nello spazio di stato.

Ruolo dell'analisi dinamica. Modelli di sistemi elementari. Definizione di sistema dinamico: variabili di ingresso, stato e uscita. Movimento ed equilibrio. Sistemi lineari e stazionari. Moto libero e moto forzato: formula di Lagrange e principio di sovrapposizione degli effetti. Linearizzazione.

 

Proprietà strutturali dei sistemi dinamici.

Stabilità: definizione alla Lyapunov. Stabilità nei sistemi lineari e stazionari: criterio degli autovalori e criterio di Routh. Stabilità dei punti di equilibrio nei sistemi non lineari: linearizzazione. Cenni a raggiungibilità (controllabilità) e osservabilità.

 

Sistemi dinamici nel dominio delle trasformate.

Trasformate di Laplace e di Fourier. Legami tra le due trasformate. Definizione di funzione di trasferimento. Poli, zeri, guadagno. Calcolo delle risposte temporali. Risposte canoniche di sistemi del 1° e del 2° ordine.

 

Risposta in frequenza.

Risposta sinusoidale. Risposta in frequenza: definizione, significato e legame con la funzione di trasferimento. Rappresentazione grafica della risposta in frequenza: diagrammi cartesiani (di Bode) e polari (di Nyquist). Azione filtrante dei sistemi dinamici: modifica del contenuto armonico dei segnali.

 

Schemi a blocchi.

Schemi in cascata, in parallelo e retroazione. Stabilità degli schemi di interconnessione.

 

Analisi dei sistemi di controllo.

Stabilità: criterio di Nyquist e criterio di Bode. Prestazioni dinamiche: banda passante e smorzamento dei transitori. Moderazione del controllo. Prestazioni statiche: errore a transitorio esaurito.

 

Progetto del controllore nel dominio della frequenza.

Sintesi dei sistemi di controllo lineari a tempo continuo: progetto statico e progetto dinamico. Controllori PID. Compensatore del disturbo.

 

Luogo delle radici.

Regole di tracciamento. Uso nell'analisi e nel progetto del controllore. Controllo di sistemi instabili.

 

Segnali e sistemi a tempo discreto.

Rappresentazioni di stato. Sistemi lineari. Equilibrio e movimento. Stabilità. Linearizzazione. Trasformata Zeta. Funzione di trasferimento. Cenni all’analisi in frequenza.

 

Controllo digitale.

Campionamento e tenuta. Sistemi di controllo digitale: scelta del periodo di campionamento. Realizzazione digitale di regolatori analogici.

 

 

Il corso si articola in lezioni ed esercitazioni. Queste ultime consistono nella presentazione e soluzione di esercizi a chiarificazione degli argomenti sviluppati nelle lezioni, oppure nella verifica, su alcuni esempi numerici, dei risultati teorici con l’ausilio degli strumenti messi a disposizione dai pacchetti Matlab/Simulink.


Prerequisiti

Sono necessarie conoscenze elementari di analisi matematica e geometria, con particolare riferimento ad operazioni sui numeri complessi, calcolo differenziale e integrale, equazioni differenziali lineari e algebra delle matrici. Tutti questi argomenti sono previsti nei programmi degli insegnamenti di Analisi e Geometria I e II.


Modalità di valutazione

L’esame può essere superato attraverso due prove (scritte) in itinere o presentandosi a uno degli appelli nelle tre sessioni previste dal calendario accademico.

 

Con la prima modalità (prove in itinere), il programma di ciascuna prova riguarda parti distinte del programma dell'insegnamento. Ciascuna delle prove viene valutata con un voto in quindicesimi,  oppure con un giudizio di insufficiente. Per superare l'esame è necessario conseguire almeno 8/15 in entrambe le prove, con una somma di almeno 18/30.

Secondo il principio per cui allo studente vengono fornite cinque opportunità per il superamento dell'esame nell'anno accademico, di cui la prima è costituita dall'insieme delle due prove in itinere, la mancata partecipazione alla prima prova in itinere, o l'esito negativo nella stessa, preclude allo studente la possibilità di presentarsi alla seconda prova in itinere (che si svolge nella prima delle due date riportate a calendario per la sessione estiva). Di conseguenza, in questo caso, lo studente potrà presentarsi per il superamento dell'esame solo a partire dalla seconda data prevista per gli appelli nella sessione estiva, avendo poi a disposizione ulteriori tre appelli (uno nella sessione di fine Agosto/Settembre, due in quella invernale).

 

Negli appelli ordinari l'esame consiste in una prova scritta sull'intero programma dell'insegnamento. Non si terrà conto di eventuali valutazioni positive conseguite nella sola prima prova in itinere. La prova scritta, soltanto in questi appelli, sarà integrata da un colloquio in tutti i casi in cui il docente ne ravvisi l’opportunità.

 

Sia nel caso delle prove in itinere che degli appelli ordinari, lo studente dovrà, in sede di esame:

- essere in grado di proporre un sistema dinamico a tempo continuo o discreto, in forma di stato o funzione di trasferimento, che funga da modello per un semplice problema fisico in ambito meccanico, idraulico o elettrico;

- dimostrare di conoscere le principali definizioni e concetti inerenti ai sistemi dinamici e le loro proprietà strutturali, e i fondamentali enunciati della teoria;

- sapere utilizzare i principali risultati analitici per verificare le proprietà strutturali di un sistema dinamico;

- saper discutere i risultati ottenuti al variare di uno o più parametri;

- essere in grado di analizzare sistemi di controllo (lineari e a tempo continuo) in anello chiuso nel dominio della frequenza, stimandone caratteristiche statiche (errore a transitorio esaurito, attenuazione dei disturbi, etc.) e dinamiche (tempo di risposta e di assestamento, sovra-elongazioni, etc.);

- saper affrontare la fase di progetto di un sistema di controllo in modo che esso soddisfi precise specifiche statiche e dinamiche, proponendo un opportuno regolatore analogico;

- essere in grado di convertire un regolatore analogico nella corrispondente versione digitale.


Bibliografia
Risorsa bibliografica obbligatoriaP. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, Fondamenti di controlli automatici, Editore: McGraw-Hill Italia, Anno edizione: 2015, ISBN: 9788838668821
Risorsa bibliografica facoltativaS. Bittanti, Introduzione all'automatica, Editore: Zanichelli, Anno edizione: 2014, ISBN: 9788808160393
Risorsa bibliografica facoltativaN. S. Nise, Controlli automatici, Editore: Città Studi Edizioni, Anno edizione: 2013, ISBN: 9788825173789
Risorsa bibliografica facoltativaD. Caporale, S. Strada, Automatica. Raccolta di esercizi risolti. Con appendice matlab, Editore: Pitagora, Anno edizione: 2016, ISBN: 9788837119157
Risorsa bibliografica facoltativaA. Leva, M. Maggio, Esercizi di fondamenti di automatica, Editore: Esculapio, Anno edizione: 2010, ISBN: 9788874883547

Forme didattiche
Tipo Forma Didattica Ore di attività svolte in aula
(hh:mm)
Ore di studio autonome
(hh:mm)
Lezione
50:00
75:00
Esercitazione
30:00
45:00
Laboratorio Informatico
0:00
0:00
Laboratorio Sperimentale
0:00
0:00
Laboratorio Di Progetto
0:00
0:00
Totale 80:00 120:00

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Italiano
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.1 / 1.6.1
Area Servizi ICT
28/02/2020