Academic year2023/24
Course Automotive Engineering
Code380II
Credits6
PeriodSemester 2
LanguageItalian
| Modules | Area | Type | Hours | Teacher(s) |
| CONTROLLI AUTOMATICI I | ING-INF/04,NN | LEZIONI | 60 | |
Obiettivi di apprendimento
Conoscenze
Il corso si propone di fornire agli allievi le nozioni fondamentali e gli strumenti necessari per l’analisi, la progettazione e la realizzazione di sistemi di controllo per sistemi automatici, intesi nella loro più ampia accezione: sistemi fisici controllati da un processore digitale, dotati di capacità sensoriali e di interazione con l’ambiente, con caratteristiche di elevata autonomia e di facile interfacciamento con l’uomo.
Al termine del corso, lo studente avrà:
- capacità di analizzare e controllare sistemi meccanici e veicoli complessi;
- valutare i limiti di applicazione delle metodologie di controllo lineare nel caso di sistemi non lineari e utilizzare correttamente gli strumenti utili a superare tali limitazioni;
- conoscenze sulle tecniche e gli algoritmi di pianificazione del moto di sistemi dinamici;
- conoscenze sulle tecniche e gli algoritmi di filtraggio delle misure e di ricostruzione dello stato di sistemi dinamici.
Knowledge
The course aims to provide students with the fundamental notions and tools necessary for the analysis, design and implementation of controls for dyanamic systems.
At the end of the course, the student will have the ability:
- to analyze and control complex mechanical systems and vehicles;
- to evaluate the application limits of linear control methodologies in the case of non-linear systems and correctly use the provided tools to overcome these limitations;
- to plan and control the motion of dynamic systems;
- to filter measurements and reconstruct the state of dynamic systems.
Modalità di verifica delle conoscenze
La verifica delle conoscenze avviene attraverso la applicazione delle stesse a casi di studio, i cui risultati sono presentati e discussi attraverso una relazione tecnica ed una presentazione con strumenti multimediali.
Assessment criteria of knowledge
Knowledge verification occurs through application of the course topics to case studies. Results are presented and discussed through a technical report and a presentation with multimedia tools.
Capacità
Al termine dell'insegnamento lo studente saprà:
- Analizzare le caratteristiche e le proprietà strutturali della dinamica di sistemi dinamici con tecniche avanzate nello spazio di stato
- Progettare strategie di controllo per sistemi dinamici
- Implementare algoritmi di ricostruzione dello stato di sistemi dinamici a partire dalle misure
- Utilizzare software di simulazione per sistemi dinamici
Skills
At the end of the course the student will know how to:
- Analyze the characteristics and structural properties of the dynamics of dynamical systems;
- Design control strategies for dynamic systems;
- Implement algorithms for the reconstruction of the state of a dynamic system from available measurerements;
- Use simulation software for robotic systems.
Modalità di verifica delle capacità
Durante il corso le tecniche apprese di pianificazione e controllo verranno applicate su sistemi dinamici simulati e/o fisici in attività di esercitazione e laboratoriale, sotto la supervisione dei docenti e dei collaboratori alla didattica
Assessment criteria of skills
During the course, the motion planning and control techniques will be applied on simulated and / or physical robotic systems in exercise and laboratory activities, under the supervision of teachers and teaching staff.
Comportamenti
Al termine del corso gli studenti avranno sviluppato l’attitudine a riconoscere, nei problemi applicativi di diversa natura che possono essere loro proposti, le caratteristiche salienti dei sistemi dinamici in una accezione ampia del termine, di riconoscere le tecniche più adeguate per il controllo, e di applicare gli strumenti appresi.
Behaviors
At the end of the course, students will have developed the ability to recognize in problems of different nature that can be proposed to them, the salient features of dyanamic systems in a broad sense, to recognize the most appropriate techniques for control, and to apply the learned design tools.
Modalità di verifica dei comportamenti
Agli studenti verrà chiesto di svolgere un approfondimento dei temi presentati in aula. In questo modo, potranno dimostrare di saper estendere l’applicabilità dei metodi ad una classe più generale di problemi che potranno incontrare nella loro vita professionale.
Assessment criteria of behaviors
Students will be asked to carry out an in-depth examination of the topics presented in the classroom. In this way, they will be able to demonstrate the ability to extend the applicability of the methods to a more general class of problems that they will encounter in their professional life.
Prerequisiti (conoscenze iniziali)
- Elementi di algebra lineare;
- Modellistica cinematica e dinamica di sistemi meccanici senza e con vincoli;
- Teoria dei sistemi lineari;
- Tecniche di controllo dei sistemi lineari;
- Capacità di base di utilizzo di software di analisi e simulazione (e.g. Matlab, Simulink)
Prerequisites
- Linear Algebra;
- Kinematic and dynamic modeling of mechanical systems without and with constraints;
- Theory of linear systems;
- Linear Systems Control Techniques;
- Basic ability with analysis and simulation software (e.g. Matlab, Simulink)
Indicazioni metodologiche
Le lezioni vengono svolte alla lavagna con l'eventuale uso di supporti multimediali per la visione di immagini e video.
Modalità di apprendimento:
- Partecipazione alle lezioni
- Partecipazione a seminari
- Partecipazione alle discussioni
- Studio individuale
- Lavoro di gruppo
- Lavoro di laboratorio
Metodologia di insegnamento:
- Lezioni
- Seminari
- Tutorato
Teaching methods
Lessons are performed on the blackboard with the possible use of multimedia media for viewing images and videos.
Learning modality:
- Participation in lessons
- Participation in seminars
- Participation in discussions
- Individual studio
- Teamwork
- Laboratory work
Teaching methodology:
- Lessons
- Seminars
- Tutoring
Programma (contenuti dell'insegnamento)
- Stabilità:
Definizioni, Teoremi e Metodi di Lyapunov, Teoremi di La Salle e Krasovskii, Regione di Asintotica Stabilità, Applicazioni ai Sistemi Lineari Tempo Invarianti - Continui e Discreti, Applicazione e sistemi non stazionari.
- Raggiungibilità e Controllabilità:
Controllabilità all’origine e Raggiungibilità, Lemma PBH, Forma Canonica di Controllo, Scomposizione Standard, Pianificazione Ottima su Orizzonte Finito.
- Retroazione degli Stati:
Stablizzabilità, Allocazione dei Poli, Controllo LQR, Invarianza degli Zeri, Cenni su Sistemi MIMO
- Osservabilità e Ricostruibilità:
Indistinguibilità degli Stati Iniziali e Ricostruibilità, Forma Canonica di osservazione, forma Standard di Osservabilità, Dualità
- Osservatori:
Osservatore di Leuenberger, Filtro di Kalman, cenni su estensioni al filtraggio di sistemi non lineari
- Realizzazioni e Connessione di Sistemi:
Scomposizione Canonica o di Kalman, Realizzazioni di sistemi, Effetti della retroazione degli stati e dell'iniezione delle uscite, Grado Relativo, Raggiungibilità e Osservabilità di Sistemi Connessi in serie, parallelo e retroazione.
- Regolazione dei sistemi:
Montaggi di Controllore e Osservatore e Sintesi del regolatore, Principio di separazione, Specifiche di progetto, Esempi
- Controllo e Pianificazionei di Sistemi Non Lineari:
Modello di Uniciclo, Modello di Biciclo, Controllo alla Lyapunov di postura, movimento e traccia.
Syllabus
- Stability:
Definitions,Lyapunov Theorems and Methods, La Salle and Krasowskii theorems, Region of Asimptotic Stability, Applications to Linear Time-Invariant Continuous and Discrete Systems, Applications to Time-Varying Systems.
- Reachability and Controllability:
Controllability to the origin and Reachability of an arbitrary state, PBH Lemma, Canonical Control Form, Standard Decomposition, Finite Horizon Optimal Planning;
- State Feedback:
Stabilizability, Pole Placement, LRQ control, Feedback-Invariance of Zeroes, MIMO systems overview
- Observability and Reconstructability:
Undistinguishable Initial States and Reconstructability of Present State, Canonical Observation Form, Standard Observability Form, Duality
- Observers:
Leuenberger Observer, Kalman Filter, Observation of Non-Linear Systems - overview.
- System Realizations and Connections:
Canonical Kalman Decomposition, Sistem Realization, Effects of State Feedback and Output Injection, Relative Degree, Reachability and Observability of Connected Systems: parallel, series and feedback.
- System Regulation:
Mounting the Controller and Observer, Regulator Synthesys, Separation Principle, Specifications, Examples.
- Non-Linear Systems Planning and Control:
Unicycle, Bycycle, Lyapunov pose, trajectory and trace Control.
Bibliografia e materiale didattico
- E. Fornasini, G. Marchesini: "Appunti di Teoria dei Sistemi" - Notes of the lecturer
- Paolo Giuseppe Emilio Bolzern, Riccardo Scattolini, and Nicola Luigi Schiavoni. "Fondamenti di controlli automatici". McGraw-Hill, 2008
- Giovanni Marro, "Controlli Automatici." Zanichelli, Bologna (2004).
- dispense fornite dai docenti
Bibliography
-
E. Fornasini, G. Marchesini: "Appunti di Teoria dei Sistemi" - Notes of the lecturer
-
Paolo Giuseppe Emilio Bolzern, Riccardo Scattolini, and Nicola Luigi Schiavoni. "Fondamenti di controlli automatici". McGraw-Hill, 2008
-
Giovanni Marro, "Controlli Automatici." Zanichelli, Bologna (2004).
teacher's notes
Indicazioni per non frequentanti
Nessuna variazione.
Non-attending students info
N/A
Modalità d'esame
Nel corso dell’esame il candidato deve dimostrare conoscenza e capacità operative in tutte le parti in cui si articola il programma. Deve inoltre dimostrare di sapere implementare le tecniche studiate nel corso in contesti applicativi, realizzando dimostratori software e/o hardware di sistemi dinamici.
Il candidato è incoraggiato a svolgere un approfondimento applicativo (progetto) su temi concordati con i docenti del corso, presentandone i risultati attraverso dimostrazione pratica e/o discussione pubblica.
Ad integrazione di tale discussione, i docenti procederanno alla eventuale verifica delle conoscenze teoriche del programma non già esplicitate nella discussione dell'approfondimento applicativo.
Assessment methods
During the exam the candidate must demonstrate knowledge and operational skills in all parts of the program. He must also demonstrate that he knows how to implement the techniques studied in the course in application contexts, creating software and/or hardware demonstrators of dynamic systems.
The candidate is encouraged to carry out an in-depth application (project) on topics agreed with the course teachers, presenting the results through practical demonstration and/or public discussion.
To integrate this discussion, the teachers will proceed with the possible verification of the theoretical knowledge of the program not already explained in the discussion of the in-depth application.
Updated: 31/10/2023 18:07
