MODULO DI AUTOMATICA | Università degli studi di Bergamo

MODULO DI AUTOMATICA

Modulo Generico
Codice dell'attività formativa: 
22053-2

Scheda dell'insegnamento

Per studenti immatricolati al 1° anno a.a.: 
2018/2019
Insegnamento (nome in italiano): 
MODULO DI AUTOMATICA
Tipo di attività formativa: 
Attività formativa Caratterizzante
Tipo di insegnamento: 
Obbligatoria
Settore disciplinare: 
AUTOMATICA (ING-INF/04)
Anno di corso: 
3
Anno accademico di offerta: 
2020/2021
Crediti: 
6
Responsabile della didattica: 
Mutuazioni
  • Corso di studi in INGEGNERIA DELLE TECNOLOGIE PER LA SALUTE - Percorso formativo in PERCORSO COMUNE

Altre informazioni sull'insegnamento

Modalità di erogazione: 
Didattica Convenzionale
Lingua: 
Italiano
Ciclo: 
Annualità Singola
Obbligo di frequenza: 
No
Ore di attività frontale: 
48
Ambito: 
Ingegneria gestionale
Prerequisiti

Elementi di algebra lineare.
Calcolo con numeri complessi.
Risoluzione di equazioni differenzali ordinarie lineari a coefficienti costanti.

Obiettivi formativi

Al termine del corso lo studente possiede le conoscenze fondamentali della teoria dei sistemi per la modellazione matematica ingresso/uscita di fenomeni, macchine e processi tramite modelli lineari, sia a tempo continuo che a tempo discreto.
Conosce gli strumenti per l'analisi dei sistemi lineari sia nel dominio del tempo che delle frequenze.
Conosce i metodi di progettazione di semplici controllori retroazionati, inclusi controllori PID.

Lo studente è in grado di calcolare la trasformata di Laplace e la trasformazta Z di segnali continui e discreti.
E' in grado di calcolare la funzione di trasferimento di sistemi lineari continui e discreti.
E' in grado di manipolare sistemi complessi tramite decomposizione in sottosistemi e risoluzione di schemi a blocchi.
E' in grado di disegnare diagrammi di Bode e di interpretarli alla luce del teorema della risposta in frequenza.
E' in grado di analizzare l'azione filtrante di sistemi dinamici.
E' in grado di analizzare sistemi retroazionati e di predirne il comportamento sulla base di sole informazioni in anello aperto.
E' in grado di progettare controllori retroazionati per sistemi a fase minima e di tarare un controllore PID.

Contenuti dell'insegnamento

Introduzione all'Automatica. Formulazione di un problema di controllo. Variabili controllate, variabili manipolabili e disturbi. Controllo in anello aperto e controllo in anello chiuso. Incertezza.
Sistema dinamico. Concetti di ingresso, uscita. Rappresentazione di sistemi dinamici mediante equazioni differenziali. Movimento, equilibrio. Formula di Lagrange. Movimento libero e movimento forzato.
Trasformazione di Laplace. Funzione di trasferimento. Poli, zeri e guadagno. Stabilità. Criterio di Routh. Metodo di Heaviside per l'antitrasformazione. Schemi a blocchi. Connessioni in serie, parallelo e retroazione. Risposte canoniche di sistemi del primo e secondo ordine nel dominio del tempo. Costante di tempo. Pulsazione naturale e coefficiente di smorzamento. Costante di tempo dominante. Approssimazione a polo/i dominante/i.
Teorema della risposta in frequenza. Diagrammi cartesiani (di Bode). Interpretazione dei sistemi dinamici come filtri.
Ritardo di tempo.
Schema generale del controllo in retroazione. Requisiti del sistema di controllo.
Stabilità. Criterio di Bode. Stabilità robusta. Margine di fase e margine di guadagno.
Risposta in frequenza di sistemi retroazionati. Velocità di risposta. Banda passante. Precisione statica. Errore a transitorio esaurito dovuto al segnale di riferimento e ai disturbi.
Sintesi del controllore. Specifiche di progetto. Fasi del progetto. Esempi di progetto per sistemi a fase minima.Controllori PID.
Introduzione ai sistemi a tempo discreto.
Stabilità di sistemi a tempo discreto. Trasformazione Z. Funzione di trasferimento. Antitrasformazione per lunga divisione o ricorsione. Risposta all’impulso e allo scalino. Sistemi FIR.

Metodi didattici

Lezioni frontali con diapositive. Le diapositive sono disponibili online per gli studenti prima dell'inizio del corso.
Esercitazioni alla lavagna. I testi, oltre a numerosi altri esercizi svolti, sono disponibili online per gli studenti prima dell'inizio del corso.
Viene data molta importanza alla partecipazione attiva alle lezioni da parte degli studenti, che viene stimolata mediante un dialogo continuo.
Gli studenti possono trovare il docente in ogni momento (meglio previo appuntamento) recandosi presso l'ufficio del docente (Ufficio 303 Edificio C).
Vengono svolte dimostrazioni di utilizzo di strumetni software (Matlab) per l'analisi dei sistemi e la progettazione di sistemi di controllo.
Vengono svolti dei test intermedi con lo scopo principale di stimolare lo studio costante e continuativo e verificare il livello di comprensione e partecipazione degli studenti.
Vengono svolti alcuni esempi di applicazione nell'ambito dell'analisi dei sistemi economici e della bioingegneria.

Modalità verifica profitto e valutazione

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso una prova scritta finale della durata di 2 ore.
Essa e' abitualmente costituita da 5 o 6 quesiti: 4 esercizie ed 1 o 2 domande teoriche. Tra di essi vi e' sempre il progetto di un controllore retroazionato ed un esercizio sui sistemi di controllo digitale. Tutti gli esercizi e le domande valgono da 5 a 8 punti.
Sono previste prove in itinere.

N.B. Per gli allievi gestionali questo corso e' integrato con Elettrotecnica. Il voto complessivo del corso integrato sarà calcolato come media (approssimata all'intero superiore) dei voti conseguiti nei due moduli.

Altre informazioni

All'indirizzo
http://cal.unibg.it
e' possibile trovare tutte le informazioni ed i materiali del corso.

Segui le attività del Control Systems and Automation Laboratory su Facebook e Instagram (calunibg).

Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte modifiche rispetto a quanto dichiarato nel syllabus per rendere il corso e gli esami fruibili anche secondo queste modalità.

Prerequisites

Basic linear algebra and matrix computation.
Complex numbers calculus.
Resolution of linear ordinary differential equations with constant parameters.

Educational goals

At the end of the course the student has the basic knowledge of systems theory for the input/output mathematical modeling of phenomena, machines and processes through linear models, both in continuous time and in discrete time.
He knows the tools for the analysis of linear systems both in the time and frequency domains.
He knows the design methods of simple feedback controllers, included PID controllers.

The student is able to calculate the Laplace transform and the Z transform of continuous and discrete signals.
He/she is able to calculate the transfer function of continuous and discrete linear systems.
He/she is able to manipulate complex systems by decomposing them into subsystems and solving block diagrams.
He/she is able to draw Bode diagrams and interpret them in the light of the frequency response theorem.
He/she is able to analyze the filtering action of dynamic systems.
He/she is able to analyze feedback systems and predict their behavior based only on information in open loop.
He/she is able to design feedback controllers for minimum phase systems and to calibrate a PID controller.

Course content

Introduction to Control Systems. Formulation of a control problem. Controlled variables, input variables and disturbances. Open loop control and closed loop control. Uncertainty.
Dynamic system. Input and output concepts. Representation of dynamical systems by differential equations. Movement, equilibrium. Lagrange formula. Free movement and forced movement.
Laplace transformation. Transfer function. Poles, zeros and gains. Stability. Routh criterion. Heaviside method for antitransformation. Block diagrams. Series, parallel and feedback connections. Canonical responses of first and second order systems in the time domain. Time constant. Natural frequency and damping coefficient. Dominant time constant. Dominant pole approximation.
Frequency response theorem. Cartesian diagrams (Bode). Interpretation of dynamic systems as filters.
Time delay.
General scheme of feedback control. Control system requirements.
Stability. Bode criterion. Robust stability. Phase margin and gain margin.
Frequency response of feedback systems. Settling time. Bandwidth. Static accuracy. Transient error due to the reference signal and disturbances. Design of the controller. Project specifications. Project steps. Design examples for minimum phase systems. PID controllers.
Introduction to discrete time systems.
Stability of discrete time systems. Z transformation. Transfer function. Anti-transformation by long division or recursion. Impulse and step responses. FIR systems.

Teaching methods

Frontal lessons with slides. Slides are available online for students before the course starts.
Exercises hand-written. The texts, in addition to many other exercises, are available online for students before the course starts.
Much importance is given to students' active participation in the lessons, which is stimulated through a continuous dialogue.
Students can find the teacher at any time (better by appointment) by going to the teacher's office (Office 303 Building C).
Demonstrations of the use of software tools (Matlab) are carried out for the analysis of systems and the design of control systems.
Intermediate tests are carried out with the main purpose of stimulating constant and continuous study and verifying the level of understanding and participation of students.
Some application examples are carried out about the analysis of economic systems and bioengineering.

Assessment and Evaluation

The exam is done through a final written exam of 2 hours.
It usually consists of 5 or 6 questions: 4 exercises and 1 or 2 theoretical questions. Among them there is always the design of a feedback controller and an exercise on digital control systems.
Each question assign from 5 to 8 points.
Intermediate tests will be performed.

N.B. For the "Ingegneria Gestionale" students this course is integrated with "Elettrotecnica". The overall grade of the integrated course will be calculated as the average (approximated to the upper integer) of the marks obtained in the two modules.

Further information

The course is in Italian.
Foreign students can ask the professor for material, books etc... in English.
At the address
http://cal.unibg.it
all materials and information are available.

Follow the Control Systems and Automation Laboratory activities on Facebook and Instagram (calunibg).

Would the course be taught in blended or distance-based teaching modes, modifications might be carried out with respect to above, to make the course and the exams accessible under the new teaching modes