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Automatic control

18AKSOA

A.A. 2018/19

Course Language

Italian

Course degree

1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Computer Engineering - Torino

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19AKSPG

Course structure
Teaching Hours
70
Lezioni 56.5
Esercitazioni in aula 28
Esercitazioni in laboratorio 15.5
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Carabelli Stefano - Corso 2 Ricercatore ING-INF/04 28.5 14 15.5 0 2
Taragna Michele - Corso 1 Professore Associato ING-INF/04 30 15 7 0 11
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-INF/04 10 B - Caratterizzanti Ingegneria dell'automazione
2018/19
Obiettivo del corso è fornire strumenti di base di modellistica e di analisi dei sistemi dinamici e una trattazione generale del problema del controllo, comprendendo analisi delle specifiche, progetto di un controllore e verifica dei risultati.
Goals of this course are to provide basic tools for modelling and analyzing dynamic systems and to address fundamentals of feedback control design.
Lo studente deve acquisire e sviluppare le seguenti conoscenze e abilità: 1) Conoscenza del concetto di sistema dinamico e delle sue principali rappresentazioni matematiche (equazioni d’ingresso-stato-uscita, funzione di trasferimento) 2) Capacità di costruire modelli matematici di sistemi dinamici lineari e non lineari 3) Capacità di calcolare analiticamente l'evoluzione dello stato e della risposta di sistemi dinamici lineari 4) Conoscenza delle proprietà di stabilità (interna, esterna) e delle proprietà strutturali (raggiungibilità, osservabilità) di sistemi dinamici 5) Capacità di analizzare le proprietà di stabilità e le proprietà strutturali di sistemi dinamici 6) Capacità di progettare un regolatore dinamico 7) Conoscenza del concetto di controllo in retroazione di un sistema dinamico 8) Conoscenza dei principali indici di prestazione (specifiche) dei sistemi di controllo retroazionati 9) Conoscenza delle principali tecniche di analisi nel dominio della frequenza per lo studio della stabilità e delle prestazioni di sistemi di controllo retroazionati 10) Capacità di analizzare le proprietà di stabilità e le prestazioni di sistemi di controllo retroazionati 11) Conoscenza delle tecniche di sintesi per tentativi nel dominio della frequenza di controllori 12) Capacità di progettare semplici sistemi di controllo in retroazione per sistemi a un ingresso e un'uscita tramite reti di compensazione attenuatrici, anticipatrici ed integro-derivative 13) Conoscenza dei controllori industriali (PID) e delle relative tecniche di progetto 14) Conoscenza dei sistemi di controllo a dati campionati e realizzazione di filtri digitali 15) Capacità di progettare sistemi di controllo a dati campionati 16) Capacità di valutare il comportamento e le prestazioni dei sistemi controllati mediante simulazione numerica
The student shall acquire the following knowledge and develop the following abilities: 1) Knowledge of the concept of dynamic system and of its main mathematical representations (input-state-output equations, transfer function) 2) Skill in building mathematical models of linear and nonlinear dynamic systems 3) Skill in analytically computing the time evolution of the states and the output of linear dynamic systems 4) Knowledge of (internal, external) stability properties and structural properties (reachability, observability) of dynamic systems 5) Skill in analyzing the stability properties and the structural properties of dynamic systems 6) Skill in designing a dynamic regulator 7) Knowledge of the concept of feedback control of a dynamic system 8) Knowledge of the main performance requirements of feedback control systems 9) Knowledge of the main feedback system analysis techniques based on sinusoidal tools to study stability and performances of feedback control systems 10) Skill in analyzing stability and performances of feedback control systems 11) Knowledge of the design techniques of feedback controllers based on lead and lag functions 12) Skill in designing feedback controllers for single input single output systems through lead and lag functions 13) Knowledge of industrial controllers (PID) and their design techniques 14) Knowledge of sampled data control systems and realization through digital filters 15) Skill in designing sampled data control systems 16) Skill in evaluating the behaviour and the performances of controlled systems through numerical simulation
È ritenuta fondamentale la conoscenza del calcolo differenziale ed integrale delle funzioni a valori reali vettoriali di una o più variabili, nonché dei concetti di base della meccanica, dell'elettrotecnica e della termodinamica. Si ritengono inoltre necessari i risultati fondamentali sui numeri complessi, sulle funzioni di variabile complessa, sulla trasformata di Laplace e una buona conoscenza dell'algebra lineare e della teoria delle funzioni polinomiali e razionali. È inoltre richiesta una conoscenza di base dell'ambiente operativo MATLAB.
The following knowledge is essential: differential and integral calculus of vector valued real functions, basic concepts of physics (mechanics, electric circuits and thermodynamics), complex numbers, complex functions, Laplace transform, real rational functions, linear algebra and basic skill of MATLAB.
Argomenti trattati nel corso e relativo peso in ore: - Introduzione allo studio dei sistemi dinamici. Modellistica di sistemi dinamici lineari e non lineari di diversa natura (elettrici, meccanici, elettromeccanici e termici) e loro rappresentazione in variabili di stato e mediante funzione di trasferimento (15 ore) - Calcolo dell'evoluzione dello stato e della risposta, analisi modale e studio della stabilità (interna, esterna) di sistemi dinamici lineari a tempo continuo e discreto (15 ore) - Linearizzazione di sistemi dinamici non lineari e studio della stabilità locale nell’intorno di un punto di funzionamento (4 ore) - Studio delle proprietà strutturali (raggiungibilità e osservabilità) di sistemi dinamici lineari. Progetto di una retroazione statica degli stati; progetto di un osservatore asintotico degli stati; progetto di un regolatore dinamico mediante retroazione degli stati stimati (11 ore) - Analisi della risposta al gradino di sistemi dinamici lineari del primo e del secondo ordine. Calcolo della risposta in regime permanente di sistemi dinamici lineari (5 ore) - Introduzione al controllo in retroazione dall'uscita. Schemi a blocchi e regole di algebra dei blocchi (3 ore) - Utilizzo di MATLAB e Simulink per la simulazione di sistemi di controllo in retroazione (3 ore) - Diagrammi di Bode, polari, di Nyquist, di Nichols e criterio di stabilità di Nyquist. Margini di stabilità (12 ore) - Risposta a ingressi polinomiali di sistemi in retroazione; errori di inseguimento in regime permanente e reiezione dei disturbi (8 ore) - Analisi delle prestazioni di un sistema di controllo: specifiche statiche e dinamiche (4 ore) - Progetto del controllore per sistemi dinamici lineari a tempo continuo con tecniche di compensazione in frequenza; reti di compensazione anticipatrici, attenuatrici ed integro-derivative (12 ore) - Analisi e controllo di sistemi a dati campionati e realizzazione di filtri digitali. Controllori di tipo industriale: PID (8 ore)
Course topics and relative devoted time: - Introduction to dynamic systems. Modelling of linear and nonlinear dynamic systems in different fields (electrical, mechanical, electromechanical and thermal) and their mathematical representations through input-state-output equations or transfer function (15 hours) - Solution of state and output equations, modal analysis and (internal, external) stability analysis of linear dynamic systems, in continuous or discrete time domain (15 hours) - Linearization of nonlinear dynamic systems and local stability analysis in a neighbourhood of an operational point (4 hours) - Analysis of structural properties (reachability, observability) of linear dynamic systems. Design of a static state feedback; design of an asymptotic state observer; design of a dynamic regulator through estimated state feedback (11 hours) - Step response analysis of first and second order linear dynamic systems. Steady-state response of linear dynamic systems (5 hours) - Introduction to output feedback control. Block diagrams and block algebra rules (3 hours) - Use of MATLAB and Simulink to simulate feedback control systems (3 hours) - Bode, polar, Nyquist and Nichols diagrams. Nyquist stability criterion. Stability margins (12 hours) - Feedback system response to a polynomial reference; steady-state tracking error, disturbance attenuation and rejection (8 hours) - Feedback system performance analysis: transient and steady state performances (4 hours) - Control design for continuous-time linear dynamic systems by means of sinusoidal tools, using lead and lag functions (12 hours) - Analysis and design of sampled data control systems and digital filter synthesis. Industrial controllers: PID (8 hours)
Le esercitazioni in aula, che non sono rigidamente separate dalle lezioni, riguardano sia esercizi relativi agli argomenti delle lezioni stesse, sia lo sviluppo di esempi applicativi. Non è prevista alcuna suddivisione in squadre. Le esercitazioni presso i laboratori informatici (circa 15 ore) sono relative all’analisi, simulazione e controllo di sistemi dinamici reali (levitatore magnetico, motore elettrico), la realizzazione di un sistema di controllo con retroazione degli stati stimati, l’analisi di stabilità di sistemi dinamici in retroazione e il progetto di controllori per il soddisfacimento di specifiche di controllo assegnate, mediante l’utilizzo dell'ambiente operativo MATLAB (Control System Toolbox, Simulink). È prevista la suddivisione in squadre.
Exercise sessions are focused on the development of both academic and applicative examples. Students are not split in groups. Some other sessions (15 hours) are carried out in computer laboratories and are focused on analysis, simulation and control of real-world dynamic systems (magnetic levitator, electric motor), on control system design using estimated state feedback, on stability analysis of feedback dynamic systems, and on controller design to meet given performances, using MATLAB tools (Control system toolbox, Simulink). Students are split in groups in the laboratories.
Per la preparazione del corso, si è fatto riferimento principalmente ai testi seguenti: - P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, Fondamenti di Controlli Automatici, 3a edizione, McGraw-Hill, Milano, 2008. - G. Calafiore, Elementi di Automatica, CLUT, Torino, 2004. - G. Calafiore, Appunti di controlli automatici, CLUT, Torino, 2006. - R. C. Dorf, R. H. Bishop, Modern Control Systems, XII edizione, Pearson Education, Upper Saddle River (U.S.A.), 2011. Sulla pagina web del modulo è inoltre messo a disposizione materiale didattico sull’utilizzo di MATLAB e su singoli argomenti trattati durante il corso, costituito principalmente da slide facenti parte dei due seguenti DVD: - “Fondamenti di Automatica” (a cura dei proff. M. Canale e M. Taragna), disponibile on-line all’indirizzo http://corsiadistanza.polito.it/on-line/FdA/index.htm - “Controlli Automatici” (a cura dei proff. C. Greco e M. Indri), disponibile on-line all’indirizzo http://corsiadistanza.polito.it/on-line/Controlli_automatici/index.htm
The following textbooks have been mainly addressed in the organization of the course: - P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, Fondamenti di Controlli Automatici, 3a edizione, McGraw-Hill, Milano, 2008 (in Italian) - G. Calafiore, Elementi di Automatica, CLUT, Torino, 2004 (in Italian) - G. Calafiore, Appunti di controlli automatici, CLUT, Torino, 2006 (in Italian) - R. C. Dorf, R. H. Bishop, Modern Control Systems, XII edizione, Pearson Education, Upper Saddle River (U.S.A.), 2011 On the course web page, teaching material is available about the use of MATLAB and about single specific issues dealt during the course, mainly taken from the following DVDs: - “Fondamenti di Automatica” (in Italian, edited by proff. M. Canale and M. Taragna), available on-line at the address http://corsiadistanza.polito.it/on-line/FdA/index.htm - “Controlli Automatici” (in Italian, edited by proff. C. Greco and M. Indri), available on-line at the address http://corsiadistanza.polito.it/on-line/Controlli_automatici/index.htm
Modalità di esame: prova scritta; prova di laboratorio;
L'esame consiste in una prova scritta in laboratorio informatico, costituita da due parti, ciascuna della durata di un’ora e mezza, ed è volto a valutare la preparazione dello studente in tutti gli argomenti facenti parte del programma del corso. La prima parte d'esame si pone l'obiettivo di verificare le conoscenze ed abilità elencate ai punti da 1) a 6) della sezione "Risultati di apprendimento attesi". In tale parte è necessario rispondere a dieci domande proposte con risposte a scelta multipla, senza l’ausilio del calcolatore; nel calcolo del punteggio è prevista una penalità per ogni risposta sbagliata; il punteggio massimo della prima parte è di trentadue trentesimi. Sono ammessi a sostenere la seconda parte d’esame solo gli studenti che avranno risposto esattamente a un numero minimo di domande comunicato all’inizio della prova. La seconda parte d'esame si pone l'obiettivo di verificare le conoscenze ed abilità elencate ai punti da 7) a 16) della sezione "Risultati di apprendimento attesi". Tale parte è costituita dal progetto di un controllore (da realizzare con l’ausilio di MATLAB/Simulink) e da un esercizio breve su diagrammi polari e di Nyquist, sull’analisi della stabilità ad anello chiuso o sul progetto di controllori PID. Il punteggio massimo della seconda parte è di trentadue trentesimi, e circa per l'ottanta per cento dipende dalla valutazione del progetto del controllore. Durante gli esami non è consentito l’uso di testi o appunti, eccezion fatta per un formulario costituito da due fogli formato A4 scritti su entrambe le facciate (un foglio da usarsi nella prima parte, l’altro nella seconda parte) su cui lo studente può riportare ogni nota egli ritenga utile, escludendo però: esercizi svolti in toto o in parte, risposte a esercizi specifici comunque codificate, porzioni di listati Matlab. È altresì concesso l’uso di materiale di supporto messo a disposizione dai docenti durante il corso: tavole delle trasformate di Laplace e Zeta, Carta di Nichols, diagrammi delle reti di compensazione. Le due parti devono essere sostenute nello stesso appello. Il voto finale, espresso in trentesimi, è calcolato dalla media aritmetica dei punteggi conseguiti nelle due parti, aventi lo stesso peso.
Exam: written test; practical lab skills test;
The final assessment consists of a written examination in the computer laboratory, composed of two parts whose duration is one hour and half each, and it is aimed at evaluating the competencies of the student with reference to all the topics of the course program. The first part of the assessment aims at verifying the knowledge and the abilities listed as items from 1) to 6) in the "Expected Learning Outcomes" section. In this part, the candidate has to answer ten questions proposed with multiple given answers, without any computer help; in the overall grade computation, any wrong answer is worth a negative score as penalty; the maximum score of the first part is 32/30. In order to participate in the second part of the exam, the candidate has to correctly answer to a minimum number of questions specified at the beginning of the test. The second part of the assessment aims at verifying the knowledge and the abilities listed as items from 7) to 16) in the "Expected Learning Outcomes" section. This part is made of a controller design practice (with the help of MATLAB/Simulink) and a brief exercise on polar and Nyquist plots, on closed-loop stability analysis or on PID controller design. The maximum score of the second part is 32/30; about 80 per cent of this score depends on the evaluation of the controller design practice. The test is closed books; the candidate can use only a personal formulary, constituted by two A4 sheets of paper (one per each part), each one written on both pages, on which he/she is allowed to report any potentially useful note, but neither the complete or partial (anyway coded) solution of any exercise, nor portions of Matlab code. The candidate can use some supporting material that the teachers make available during the course, including Laplace and Zeta transformation rules, Nichols’ Chart, and generalized diagrams of basic compensators. The two parts of the assessment must be taken in the same examination day. The exam mark (expressed in 1/30) is computed as the average of the scores assigned to the two parts, which have the same weight.


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