The course is taught in English.
Il corso fornisce allo studente le metodologie e gli strumenti per la modellazione di componenti, apparati e sistemi meccatronici, con particolare attenzione allo studio della interazione fra strutture meccaniche, attuazioni di varia natura (magnetica, capacitiva piezoelettrica) e della loro elettronica. Vengono introdotte metodologie unificanti (coordinate di stato, lavoro, energia e co-energia potenziale e cinetica, dissipazione) e le metodologie più diffuse (equazioni di Newton-Eulero, equazioni di Lagrange, metodo dei Bond-Graph, variabili di stato, ecc.) per definire e realizzare modelli dinamici utili all'analisi, alla simulazione e al controllo di apparati e sistemi meccatronici.

Lo studente deve acquisire e sviluppare le seguenti conoscenze e abilità.
1. Conoscenza e capacità di comprensione della struttura di un sistema, della tipologia di rappresentazione analitica (lineare e non, tempo-invariante e non, ecc.) e sua rappresentazione in base a principi fisici tramite le variabili di stato
2. Conoscenza e capacità di comprensione e uso delle variabili di sforzo e di flusso nei sistemi meccanici, elettrici, idraulici, elettronici di potenza.
3. Conoscenza e capacità di comprensione della potenza, co-energia ed energia cinetica e potenziale, e fenomeni dissipativi
4. Capacità di applicare conoscenza, comprensione e uso delle equazioni di Newton-Eulero e di Lagrange
5. Capacità di applicare conoscenza, comprensione e uso dei modelli Bond-Graph
6. Capacità di applicare conoscenza, comprensione e uso delle equazioni che descrivono l'interazione all'interno di attuatori e trasduttori elettromeccanici quali elettromagneti, trasduttori capacitivi, trasduttori a bobina mobile, materiali piezoelettrici, motori sincroni.

Conoscenza della Fisica di base, in particolare Meccanica ed Elettromagnetismo, fondamenti del calcolo vettoriale e matriciale elementi di teoria dei sistemi (stati, ingressi, uscite, funzioni di trasferimento), elementi di controlli automatici (semplici reti di compensazione proporzionale, integrale, derivativa).

1. Introduzione, esempi di apparati meccanici, elettrici, idraulici, elettromeccanici e definizione del concetto di potenza, energia e co-energia (8 ore)
2. Richiami matematici mirati agli obbiettivi del corso: matrici e vettori, cinematica e dinamica del corpo rigido. Variabili generalizzate, gradi di libertà, vincoli, olonomicità. Cinematica e dinamica delle rototraslazioni di corpi rigidi. Proprietà generali della dinamica dei corpi: inerzia, dissipazione, elasticità. (8 ore)
3. Modelli analitici: comprensione della struttura di un sistema, della tipologia di rappresentazione analitica (lineare e non, tempo-invariante e non, ecc.) e sua rappresentazione in base a principi fisici. (10 ore)
4. Definizioni delle variabili di sforzo e di flusso nei sistemi meccanici, elettrici, idraulici ecc. (8 ore)
5. Funzioni di stato: co-energia cinetica e energia potenziale. (10 ore)
6. Equazioni di Newton-Eulero (cenni), Equazioni di Lagrange. (8 ore)
7. Spazio delle configurazioni ed equazioni di stato. Il sistema dinamico in variabili di stato come rappresentazione matematica unificante. Modelli lineari e non lineari. Proprietà fondamentali: stabilità e passività. (8 ore)
8. Modellistica mediante Bond Graph: impostazione basata sullo scambio di potenza tra sottosistemi componenti. Variabili di potenza. Reversibilità. Regole di costruzione. Relazione tra bond graph e diagrammi a blocchi. (12 ore)
9. Scrittura delle equazioni che descrivono l’interazione all’interno di attuatori e trasduttori elettromeccanici quali elettromagneti, trasduttori capacitivi, trasduttori a bobina mobile, materiali piezoelettrici, motori sincroni. (10 ore)
10. Modelli meccanici di corpo rigido e modelli a elementi finiti. Modelli elettrici ed elettronici a parametri concentrati e a elementi finiti. Tecniche di riduzione modale e rappresentazione bond graph relativa. (10 ore)
11. Simulazione dinamica di sistemi. Ambienti di simulazione e realizzazione di un impianto virtuale. (8 ore)

Le esercitazioni sviluppano esempi di modellistica di semplici sistemi dinamici utilizzando i diversi approcci illustrati nelle lezioni.

Testo utilizzato nell'insegnamento: B. Bona, 'Dinamica dei sistemi multicorpo', dispense CELID
Verranno messi a disposizione in rete appunti e lucidi.

Testi di supporto/approfondimento
B. Bona, 'Modellistica dei Manipolatori Industriali', CELID 2002 (1a ristampa, settembre 2005), Cap. 2

Dean C. Karnopp, Donald L. Margolis, Ronald C. Rosenberg, 'System dynamics: modeling and simulation of mechatronic systems', New York, Wiley, 2000.

Esame scritto della durata di 2,5 ore con svolgimento di uno o più esercizi; è possibile consultare gli appunti; possibile esame orale.
Supporti alla didattica in uso alla docenza

Durante le lezioni vengono utilizzate le lavagne tradizionali, le lavagne luminose per proiettare slide che vengono scritte al momento e il PC per proiettare slide, filmati e altri documenti preventivamente scaricabili dalla rete. L'aula deve consentire l'uso contemporaneo di lavagne e schermo.
Strumenti didattici e materiali di consumo

Non sono richiesti particolari materiali, salvo il tradizionale quaderno di appunti ed eventualmente una serie di matite/pennarelli colorati.