L'insegnamento contiene una prima parte dedicata ai concetti fondamentali di controlli automatici, mentre la seconda parte è dedicata ai concetti fondamentali di conversione dell'energia elettrica mediante azionamenti elettrici. L'obiettivo del corso è quello di fornire, per quanto riguarda la parte di controllo, strumenti di base di analisi di sistemi dinamici e le conoscenze per il progetto di semplici sistemi di controllo per quanto attiene ai sistemi dinamici lineari tempo continui descritti sia in variabili di stato sia in funzione di trasferimento. Nella seconda parte del corso verrà analizzato il principio di funzionamento degli azionamenti in corrente continua, con particolare riguardo al progetto dei parametri degli anelli di controllo. Inoltre, sono analizzati gli azionamenti con motori a corrente continua brushless e gli azionamenti con motori ad induzione con controllo scalare. Il corso analizza la misura di corrente e di posizione negli azionamenti elettrici e introduce alcuni concetti fondamentali di osservatori di corrente e di posizione impiegati degli azionamenti elettrici.

Capacità di analizzare sistemi dinamici lineari descritti in variabili di stato studiandone le proprietà strutturali di stabilità, controllabilità e osservabilità. Capacità di progettare semplici sistemi di controllo in retroazione per sistemi a un ingresso e un'uscita. Le capacità di applicare conoscenza e comprensione conseguite permetteranno, al termine del corso, di comprendere il funzionamento degli azionamenti elettrici in corrente continua ed il significato dei principali parametri di controllo.

Per permettere la comprensione degli argomenti trattati, si ritiene necessario che lo studente possieda nozioni di elettrotecnica, elettromagnetismo e meccanica applicata, macchine elettriche e convertitori elettronici di potenza.

• Rappresentazione dei sistemi dinamici in variabili di stato e mediante funzione di trasferimento. (4 ore) • Evoluzione nel tempo dei sistemi dinamici. Matrici di transizione. (2 ore) • La stabilità dei sistemi dinamici lineari. (2 ore) • Controllabilità e osservabilità dei sistemi dinamici. Forme canoniche. (2 ore) • Retroazione degli stati. Osservatore degli stati. (6 ore) • Il controllo in catena aperta e in catena chiusa. Diagrammi di Bode e di Nyquist. Stabilità dei sistemi retroazionati: criterio di Routh-Hurwitz, criterio di Nyquist. (7 ore) • La risposta transitoria e a regime dei sistemi dinamici. Specifiche nel dominio del tempo e della frequenza per i sistemi dinamici. Attenuazione dei disturbi parametrici e additivi. (5 ore) • Progetto di compensatori in serie basati sul diagramma di Bode della funzione di trasferimento di anello. (14 ore) • Concetti fondamentali di azionamenti elettrici. Definizione di azionamento elettrico. Applicazioni. Struttura generale di un azionamento elettrico (1.5 ore). • Modellistica carichi meccanici dei motori elettrici in un azionamento elettrico. L’equazione meccanica di un azionamento elettrico, coppie resistenti, sistemi di accoppiamento motore-carico: calcolo di coppie e inerzie riferite all’albero motore, classificazione di carichi meccanici. (3 ore) • Modello dinamico del motore a corrente continua. (4.5 ore). • Modelli dinamici dei convertitori elettronici di potenza (3 ore). • Fondamenti di controllo degli azionamenti elettrici (6 ore). Valutazione delle prestazioni di un sistema di controllo, sistemi del primo e di secondo ordine retroazionati, fondamenti di dimensionamento dei regolatori in azionamenti elettrici (P, PI e PID), utilizzo del luogo delle radici per valutare il comportamento di un anello di controllo di un azionamento elettrico (smorzamento, banda passante). • Controllo del motore a corrente continua (9 ore). Schema generico di controllo, controllo diretto di velocità e dimensionamento del regolatore di velocità, controllo in cascata di corrente, di velocità e di posizione e dimensionamento dei rispettivi regolatori. • Limitazioni del controllo degli azionamenti elettrici (6 ore). Meccanismi anti-wind-up dei regolatori PI, regolatori con feedforward, taratura sperimentale dei regolatori, limitazioni per l’anello di velocità: ripple di misura della velocità e risonanze torsionali. • Sensori di posizione negli azionamenti elettrici e misura della velocità (1.5 ore). Resolver, encoder, ruota fonica. • Sensori di corrente, tipologie dirette ed indirette, condizionamento ed esempi di utilizzo. • Limiti di funzionamento negli azionamenti elettrici (3 ore). Modello termico del motore a corrente continua, SOA (Safe Operating Area): limitazione commutazione, smagnetizzazione e limiti dati dal convertitore tensione, corrente). • Azionamenti brushless DC (1.5 ore). • Osservatori in azionamenti elettrici (3 ore).

Oltre alle lezioni in aula, sono previste attività di esercitazione in laboratorio. Per la parte di controlli automatici, le esercitazioni di laboratorio servono per acquisire i primi rudimenti nell'uso di un moderno programma (MATLAB) per l'analisi e il progetto di sistemi di controllo. Con l'aiuto di tale programma vengono svolti degli esercizi simili a quelli visti a lezione e nelle esercitazioni in aula, ma vengono anche affrontati problemi più complessi che difficilmente potrebbero essere trattati senza l'ausilio di un calcolatore. Per la parte di azionamenti elettrici sono previste • Esercitazioni numeriche, da svolgere in aula, riguardanti gli aspetti teorici illustrati nel corso delle lezioni. • Esercitazioni nel laboratorio informatico per l’utilizzo del software Matlab/Simulink per simulare il controllo degli azionamenti elettrici. • Esercitazioni nel laboratorio tecnologico per mostrare gli aspetti pratici di controllo di un azionamento con motore a corrente continua con controllo in cascata di velocità e di corrente.

Controlli automatici 1. P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, Fondamenti di controlli automatici, McGraw-Hill 2. K. Ogata, Modern control engineering, Prentice-Hall, London. 3. R. C. Dorf, R. H. Bishop, Modern control systems, Addison-Wesley Reading, Ma. Per approfondimenti ulteriori gli interessati possono fare riferimento ai testi: - N. S. Nise, Control systems engineering, The Benjamin/Cummings Publishing Co., Redwood City, CA. - G. F. Franklin, J. D. Powel, A. Emami-Naeini, Feedback control of dynamic systems, Addison-Wesley Reading, Ma. - B. C. Kuo, Automatic control systems, Prentice-Hall, London. - J. J. D'azzo, C. H. Houpis, Feedback control system analysis & synthesis, Mc Graw Hill, New York. Azionamenti elettrici 4. L. Bonometti, “Convertitori di potenza e servomotori brushless “ UTET, 2001 5. Werner Leonhard; 'Control of electrical drives'; Springer 6. Hans Groß, Jens Hamann e Georg Wiegärtner; 'Azionamenti elettrici di avanzamento nell'automazione industriale: fondamenti, calcolo, dimensionamento'; Tecniche Nuove 7. L. Olivieri, E. Ravelli; 'Principi ed applicazioni di elettrotecnica'; CEDAM

Slides; Strumenti di simulazione;

Modalità di esame: Test informatizzato in laboratorio; Prova orale obbligatoria;

Exam: Computer lab-based test; Compulsory oral exam;

... Le regole di esame sono descritte e discusse durante la lezione introduttiva dell’insegnamento: prova scritta (test nel laboratorio informatico) seguita da un esame orale. Esame scritto: • L'esame consiste in una prova di 3 ore nel Laboratorio Informatico con programma Matlab. • L'esame è costituito da due esercizi, uno sul progetto di regolatori in retroazione, l'altro sull'analisi di sistemi dinamici descritti nelle variabili di stato. Durante la prova non è consentito l'uso di testi o appunti, eccezione fatta per un foglio formato A4 sul quale lo studente può riportare ogni nota che ritenga utile, escludendo però esercizi svolti in tutto o in parte e risposte a esercizi specifici comunque codificate. Su tale foglio, manoscritto, non fotocopiato e strettamente personale, devono essere riportati nome, cognome e matricola. E' altresì concesso l'uso di un analogo foglio (A4) con le sole trasformate di Laplace (e regole di trasformazione) e un terzo con i diagrammi universali e le carte di Nichols. • Durante le prove che si svolgono ai LAIB non è consentito l'uso di calcolatrici visto che sono a disposizione gli strumenti di calcolo del laboratorio. Esame orale (1 ora) • Domande riguardanti gli azionamenti elettrici oggetto del programma del corso. Il numero delle domande è generalmente compreso tra 1 e 3. L’ammissione alla prova orale è condizionata dal superamento della prova scritta di Controlli automatici. Il voto finale è la media dei voti della prova scritta e la prova orale.

Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.