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DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA ELETTRICA ELETTRONICA E
INFORMATICA
Corso di laurea in Ingegneria elettronica
Anno accademico 2015/2016 - 3° anno
CONTROLLI AUTOMATICI
9 CFU - 1° semestre
Docente titolare dell'insegnamento
GIOVANNI MUSCATO
Email: [email protected]
Edificio / Indirizzo: Edificio 3 - Città Universitaria
Telefono: 095-7382321
Orario ricevimento: Lunedì 17-18:30 Venerdì 17-18
OBIETTIVI FORMATIVI
Il corso ha la finalità di fornire i concetti che stanno alla base dell’analisi e della progettazione dei sistemi
di Controllo Automatico, con particolare attenzione ai sistemi lineari di controllo a retroazione. Argomenti
principali del corso sono: Proprietà dei sistemi a controreazione; La sintesi del controllore; Sistemi di
controllo digitale. Il corso comprende anche una parte di esercitazioni in laboratorio, svolte attraverso
l’ausilio di strumenti informatici per la progettazione, la simulazione e la validazione dei sistemi di
controllo.
PREREQUISITI RICHIESTI
Prerequisito indispensabile per poter frequentare il corso è l'aver frequentato il corso di Teoria dei
Sistemi.
Requisito
Materia
Funzioni di variabile complessa; Equazioni
differenziali; Sistemi di equazioni differenziali
lineari; La trasformata di Laplace; La
trasformata Zeta.
Analisi Matematica,
Teoria dei Sistemi
Modellistica di sistemi dinamici mediante
equazioni differenziali. Meccanica,
Termodinamica.
Fisica 1, 2
Analisi di sistemi dinamici lineari; Equazioni di
stato
Teoria dei Sistemi
Analisi di circuiti elettrici
Elettrotecnica
FREQUENZA LEZIONI
La frequenza non è obbligatoria, ma è fortemente consigliata in particolar modo per le esercitazioni.
CONTENUTI DEL CORSO
Concetti propedeutici allo studio dei Controlli
Modellizzazione di sistemi dinamici. Il metodo delle equazioni di Lagrange generalizzate.
Rappresentazione di sistemi dinamici mediante sistemi di equazioni differenziali del primo
ordine. Linearizzazione di sistemi non-lineari. Sistemi lineari tempo-invarianti e tempo-continui.
Rappresentazione di sistemi lineari mediante la trasformata di Laplace, funzione di
trasferimento, caratterizzazione di sistemi SISO mediante poli e zeri, antitrasformazione di
funzioni razionali, interpretazione grafica dei coefficienti dell'espansione in frazioni parziali di
una funzione razionale fratta, risposta all'impulso, integrali di convoluzione. Stabilita' asintotica
e stabilita' BIBO, analisi della stabilita' mediante il criterio di Routh-Hurwitz. Rappresentazione
di sistemi dinamici lineari mediante schemi a blocchi, grafi di flusso, formula di Mason.
Rappresentazione di sistemi lineari mediante equazioni di stato, realizzazione, concetti di
controllabilita', osservabilita' e decomposizione di Kalman. Caratteristiche della risposta di
sistemi lineari nel dominio del tempo: costanti di tempo, tempo di risposta, tempo di salita,
tempo di assestamento. Dipendenza delle caratteristiche della risposta dalla posizione dei poli
del sistema nel piano s. Analisi armonica di un sistema lineare, risposta armonica e sua
rappresentazione mediante diagrammi di Bode. Caratteristiche della risposta in frequenza di
sistemi del primo e del secondo ordine, pulsazione di attraversamento, banda passante,
modulo alla risonanza. Risposta di sistemi con ritardo finito, sistemi a fase non-minima.
Diagrammi polari
Proprieta' dei sistemi a controreazione
Controllo a catena aperta e a catena chiusa, funzione di trasferimento di un sistema
retroazionato, equazione caratteristica. Effetto della retroazione sulla sensitività' alle variazioni
parametriche, sui disturbi e sulla banda passante di un sistema lineare. Accuratezza a regime
di un sistema retroazionato per ingressi a gradino, a rampa, a parabola, classificazione dei
sistemi di controllo a controreazione in tipi. Analisi della stabilita' dei sistemi lineari
retroazionati mediante il criterio di Nyquist. Margine di fase e di guadagno. Analisi della
stabilita' di sistemi con ritardo finito. Il luogo delle radici di un sistema retroazionato: proprietà'
e regole di tracciamento. Tracciamento della risposta armonica di un sistema retroazionato
utilizzando i luoghi a modulo e a fase costante, la carta di Nichols.
La sintesi del controllore
Specifiche di un sistema di controllo: specifiche statiche e dinamiche. Trasformazione di
specifiche nel dominio del tempo in specifiche sulla risposta armonica. Sintesi per tentativi e
sintesi diretta. Reti compensatrici elementari: reti anticipatrici e reti attenuatrici. Sintesi per
tentativi per compensazione della risposta in frequenza. Sintesi per tentativi mediante l'uso del
luogo delle radici. Sintesi diretta di controllori: caratterizzazione del modello a ciclo chiuso,
problemi di stabilita' e di realizzabilita'. Controllori standard di tipo PID: metodi di taratura per
tentativi basati sull'uso del luogo delle radici, metodi analitici di taratura. Metodi empirici di
taratura di controllori standard PID. Metodi di sintesi nello spazio degli stati: metodi basati
sull'allocazione dei poli, criteri per la scelta dei poli del sistema a ciclo chiuso, formula di
Ackerman per il calcolo dei guadagni, accorgimenti per l'imposizione delle specifiche
sull'accuratezza a regime, osservazione dello stato, proprietà' di separazione, sintesi
dell'osservatore e relativa funzione di trasferimento.
Esercitazioni di Laboratorio
Il MATLAB come strumento di analisi e come linguaggio di programmazione. Il SIMULINK per la
simulazione di sistemi dinamici. Il Control systems toolbox. Analisi e progettazione di sistemi di
controllo mediante MATLAB. Uso del Labview per l’implementazione e prototipazione di sistemi
di Controllo.
TESTI DI RIFERIMENTO
1. N.S. Nise, Controlli Automatici, Città Studi Edizioni
1. R. C. Dorf, R.H. Bishop, Controlli Automatici, 11°edizione, Pearson
1. G. F. Franklin, J. D. Powell, A. Emami-Naeini, Controllo a
retroazione di sistemi dinamici - Vol. I e II, EDISES
MATERIALE DIDATTICO
Il materiale didattico è disponibile sul sito STUDIUM
PROVA D'ESAME
MODALITÀ D'ESAME
Prova Scritta e orale (Chi ha superato le prove in itinere è esonerato dalla prova scritta)
DATE D'ESAME
Il calendario d'esame è pubblicato sul portale studenti.
http://portalestudente.unict.it/portalestudente/mapServlet
PROVE IN ITINERE
Durante l'anno vengono svolte due prove in itinere (scritte) tipicamente a Novembre e a Gennaio..
La prima prova in itinere verte sulla modellistica, sull'analisi della stabilità e sul tracciamento dei
diagrammi di Nyquist e sul luogo delle radici.
La seconda prova in itinere verte sulla sintesi del controllore per tentativi, sulla sintesi diretta e sul
controllo digitale.
PROVE DI FINE CORSO
Prova scritta:
Risoluzione di alcuni esercizi su: Modellistica di sistemi dinamici, Analisi di stabilità, Tracciamento di
diagrammi di Nyquist, Tracciamento di Luogo delle radici, Tracciamento di controrsno delle radici, Sintesi
per tentativi nel dominio della frequenza, sintesi per tentativi con il luogo delle radici, Sintesi diretta,
Sintesi di Regolatori PID, Sintesi di un regolatore digitale per traslazione di un regolatore continuo, Sintesi
di un regolatore digitale, Analisi della risposta a disturbi.
Prova orale :
Dimostrazione di aver compreso la teoria che sta alla base dello svolgimento delle prove scritte;
Dimostrazione di aver compreso i concetti presentati durante il corso.
ESEMPI DI DOMANDE E/O ESERCIZI FREQUENTI
L'elenco delle prove scritte e delle prove in itinere è riportato sul sito Studium, dove sono presenti anche
alcuni esercizi svolti.
Prova orale:
Dimostrazione dle criterio di Nyquist; Uso della rete attenuatrice; Schema di un sistema di controllo
digitale; La formula di Tustin; La formula di Truxal, Il predittore di Smith,.....