ADVANCED CONTROL

Ingegneria Informatica ADVANCED CONTROL

0622700101
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE ED ELETTRICA E MATEMATICA APPLICATA
EQF7
COMPUTER ENGINEERING
2022/2023

OBBLIGATORIO
YEAR OF COURSE 2
YEAR OF DIDACTIC SYSTEM 2017
AUTUMN SEMESTER
CFUHOURSACTIVITY
324LESSONS
324EXERCISES
324LAB
Objectives
L’INSEGNAMENTO FORNISCE AGLI STUDENTI UNA CONOSCENZA APPROFONDITA DELLE TECNICHE DI CONTROLLO AVANZATE PER SISTEMI DINAMICI E ROBOT. IL FOCUS È POSTO PRINCIPALMENTE SUGLI ASPETTI DI TIPO TEORICO, CON L’UTILIZZO DI AMBIENTI DI SIMULAZIONE PER UNA MIGLIORE COMPRENSIONE DELLE POTENZIALITÀ DEI METODI PRESENTATI. IL CORSO PREVEDE ANCHE ESPERIENZE PRATICHE SUI ROBOT DISPONIBILI NEL LABORATORIO DI ROBOTICA.

CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE:
PROPRIETÀ STRUTTURALI DEI SISTEMI DINAMICI; CONTROLLO A RETROAZIONE DELLO STATO; CONTROLLO OTTIMO; CONTROLLO ROBUSTO; CONTROLLO NON LINEARE; CONTROLLO AVANZATO DI ROBOT.

CONOSCENZA E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE:
PROGETTO DI CONTROLLORI AVANZATI UTILIZZANDO AMBIENTI DI SVILUPPO AL CALCOLATORE; PROGETTARE CONTROLLORI AVANZATI PER ROBOT; UTILIZZARE AMBIENTI DI SIMULAZIONE E DI PROGETTAZIONE ASSISTITA AL CALCOLATORE PER APPLICAZIONI ROBOTICHE.


Prerequisites
L'INSEGNAMENTO PRESUPPONE CONOSCENZE SUL CONTROLLO DI SISTEMI DINAMICI CON PARTICOLARE RIFERIMENTO A SISTEMI IN RETROAZIONE. TALI COMPETENZE POSSONO ESSERE ACQUISITE NEL CORSO DI AUTOMAZIONE
Contents
UNITÀ DIDATTICA 1 – CONTROLLO NELLO SPAZIO DI STATO
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 6/4/2)
- 1 (2 ore lezione/1 ora esercitazione). INTRODUZIONE AL CORSO E MOTIVAZIONI: CENNI SUL CONTROLLO NONLINEARE/SVILUPPO INTERATTIVO DI ESEMPI SULL'ANALISI DEI SISTEMI DINAMICI NONLINEARI
- 2 (2 ore esercitazione). PRIMI ESEMPI DI CONTROLLORI PER SISTEMI NONLINEARI ED IL PIANO DELLE FASI
- 3 (2 ore lezione/1 ora esercitazione). RAGGIUNGIBILITA' ED INTRODUZIONE AL POLE PLACEMENT/ESERCIZI SU PIANO DELLE FASI PER SISTEMI NONLINEARI E CONTROLLO TRAMITE POLE PLACING
- 4 (2 ore lezione). POLE PLACEMENT: SODDISFACIMENTO DI SPECIFICHE DI TRANSITORIO E REGIME PER SISTEMI DEL SECONDO ORDINE E SISTEMI IN FORMA CANONICA DI RAGGIUNGIBILITA'
- 5 (2 ore laboratorio). LABORATORIO SULLA SIMULAZIONE DI SISTEMI NONLINEARI E PIANO DELLE FASI
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE.
Nozioni sulle proprietà topologiche dei sistemi nonlineari, analisi del piano delle fasi, comprensione del concetto di raggiungibilità e della tecnica di sintesi di controllori a retroazione di stato
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE.
Anche tramite l’ausilio del calcolatore: analisi delle proprietà dei sistemi nonlineari e loro utilizzo per la sintesi di controllori, progettazione di controllori tramite tecnica del pole placement, simulazione ed analisi di sistemi nonlineari per case studies di interesse ingegneristico, tracciamento di piani delle fasi. Utilizzo di strumenti off-the-shelf.

UNITÀ DIDATTICA 2 – OSSERVATORI, CONCETTI DI STABILITA’ AVANZATI E CONTROLLO OTTIMO
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 10/2/2)
- 1 (3 ore lezione). INGEGNERIZZAZIONE DELLA TECNICA POLE PLACEMENT: CONTROLLO LQR ED ESEMPI DI PROGETTO TEMPO CONTINUO E TEMPO DISCRETO, AZIONE INTEGRALE CON ESERCIZI
- 2 (2 ore lezione). OSSERVABILITA' DI SISTEMI DINAMICI CON ESEMPI
- 3 (1 ora lezione/1 ora esercitazione). SINTESI DELLO STIMATORE DELLO STATO E CONTROLLO A RETROAZIONE CON STATO OSSERVATO/ESERCIZI SULLA SINTESI DI STIMATORI DI STATO E CONTROLLORI CON STATO OSSERVATO
- 4 (2 ore lezione/1 esercitazione). FILTRO DI KALMAN E STABILITA' DEI SISTEMI NONLINEARI/FUNZIONI DI LYAPUNOV TRAMITE ESEMPI INTERATTIVI
- 5 (2 ore lezione). METODO DIRETTO DI LYAPUNOV PER STABILITA' ASINTOTICA GLOBALE CON APPLICAZIONI AL CONTROLLO. TEOREMA DI LASALLE. ESERCIZI ILLUSTRATIVI
- 6 (2 ore laboratorio). LABORATORIO SU POLE PLACEMENT, LQR ED OSSERVATORI DELLO STATO
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE.
Progettazione di sistemi a retroazione di stato, stabilità nel senso di Lyapunov, comprensione del concetto di osservabilità, sintesi di osservatori dello stato, elementi di controllo ottimo e principio di separazione.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE.
Anche tramite l’ausilio del calcolatore: utilizzo di funzioni di Lyapunov per la sintesi di controllori, implementazione di osservatori di stato, progettazione di algoritmi di controllo ottimo, progettazione di controllori con retroazione di uscita. Utilizzo delle tecniche per alcuni case study di interesse ingegneristico. Utilizzo di strumenti off-the-shelf.

UNITÀ DIDATTICA 3 – CONTROLLO GEOMETRICO: FEEDBACK LINEARIZATION
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 3/2/2)
- 1 (2 ore lezione/1 esercitazione). FEEDBACK LINEARIZATION: CONCETTI INTUITIVI, DERIVATA DI LIE ED ESEMPI/SVILUPPO DI CONTROLLORI FEEDBACK LINEARIZATION PER SISTEMI NONLINEARI, CASE STUDIES
- 2 (1 ora lezione/1 ora esercitazione). I/S FEEDBACK LINEARIZATION E DINAMICHE NASCOSTE/ESEMPI INTERATTIVI SU PROGETTAZIONE DI CONTROLLORI TRAMITE LA I/O ED I/S FBL
- 3 (2 ore laboratorio). LABORATORIO SULLA SINTESI DI ALGORITMO DI CONTROLLO FEEDBACK LINEARIZATION
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE.
Concetti fondamentali del controllo geometrico, input-state (I/S) ed input-output (I/O) feedback linearization (FBL), sintesi di controllori FBL
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE.
Anche tramite l’ausilio del calcolatore: guide linea per la progettazione di controllori basati sulla tecnica della feedback linearization, progettazione di un controllo FBL in un case study. Utilizzo di strumenti off-the-shelf.

UNITÀ DIDATTICA 4 – CONTROLLO A STRUTTURA VARIABILE
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 2/3/2)
- 1 (1 ora lezione/2 ore esercitazione). SINTESI DI CONTROLLORI GAIN SCHEDULING - CONCETTI PRINCIPALI/SINTESI DI UN CONTROLLORE GAIN SCHEDULING PER IMPIANTO INDUSTRIALE
- 2 (1 ora lezione/1 ora esercitazione). PROCEDURA DI PROGETTAZIONE GAIN SCHEDULING/ESERCITAZIONE SU GAIN SCHEDULING
- 3 (2 ore laboratorio). LABORATORIO SULLA PROGETTAZIONE DI UN ALGORITMO DI CONTROLLO GAIN SCHEDULING
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE.
Concetti fondamentali del controllo a struttura variabili, gain scheduling e dinamiche nascoste
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE.
Anche tramite l’ausilio del calcolatore: guide linea per la progettazione di controllori gain scheduling, valutazione tramite simulazione delle performance, progettazione di un controllo gain scheduling in un case study. Utilizzo di strumenti off-the-shelf.

UNITÀ DIDATTICA 5 – PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA DI CONTROLLO AVANZATO
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 3/1/4)
- 1 (2 ore laboratorio). IDENTIFICAZIONE DELLO USE CASE E PECULIARITA’. DETERMINAZIONE DELLA TECNICA DI CONTROLLO
- 2 (1 ora laboratorio). ANALISI DELLA TECNICA RISOLUTIVA E CONSIDERAZIONI PROGETTUALI
- 3 (1 ore laboratorio). DISCUSSIONE DEI RISULTATI PRELIMINARI, VANTAGGI E SVANTAGGI DERIVANTI DALLE SCELTE PROGETTUALI
- 4 (3 ore lezione/1 ora esercitazione). CENNI SU APPLICAZIONI DI FRONTIERA DEL CONTROLLO
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE.
Analisi sistematica dei requisiti del sistema di controllo, analisi delle scelte progettuali per la scelta di un controllore, analisi dei trade-off.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE.
Anche tramite l’ausilio del calcolatore: presentazione della soluzione tecnica, discussione dei requisiti, delle scelte progettuali e dei risultati.

UNITÀ DIDATTICA 6 – CONTROLLO AVANZATO DEL MOTO DI ROBOT
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 4/2/6)
- 1 (2 ore lezione) Compensazioni in avanti nel controllo indipendente ai giunti. Esigenza del controllo centralizzato per il miglioramento delle prestazioni. Controllo PD con compensazione della gravità Controllo a dinamica inversa.
- 2 (2 ore lezione) Controllo nello spazio operativo: motivazioni e schemi di principio. PD con compensazione della gravità. Controllo a dinamica inversa.
- 3 (2 ore esercitazione) Progetto di controllori per strutture robotiche.
- 4 (3 ore laboratorio): Richiami su ros-control. Risolutori del modello dinamico. Progettazione guidata di un controllore ROS custom con l'uso di ros-control.
- 5 (3 ore laboratorio): Implementazione di un controllore del moto in ROS con tecniche PD con compensazione della gravità e/o dinamica inversa. Validazione in ambiente simulato Gazebo.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE:
Tecniche di controllo del moto nello spazio giunti. Tecniche di controllo del moto nello spazio operativo. Risolutori del modello dinamico.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE:
Scelta critica tra le diverse tecniche. Progetto di controllori del moto avanzati. Sviluppo di controllori del moto avanzati con ROS-control. Validazione di controllori in ambiente simulato.

UNITÀ DIDATTICA 7 – CONTROLLO DELL’INTERAZIONE DEL ROBOT CON L’AMBIENTE
(ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO 6/0/6)
- 1 (2 ore lezione): Controllo dell’interazione: motivazioni, modellistica dell’ambiente, controllo di cedevolezza.
- 2 (2 ore lezione): Controllo di impedenza, controllo di impedenza con misura delle forze, controllo di impedenza con set point di forza, controllo di impedenza implicito o di ammettenza.
- 3 (2 ore lezione): Controllo diretto in forza con o senza retroazione della posizione. Controllo parallelo forza/posizione. Vincoli naturali e vincoli artificiali.
- 4 (2 ore laboratorio): Controllo nello spazio operativo con ros-control. Simulazione di sensori di forza/coppia in Gazebo.
- 5 (2 ore laboratorio): Progettazione guidata di controllori dell'interazione con ros-control.
- 6 (2 ore laboratorio): Dimostrazioni di controllo del moto e dell'interazione su robot reali.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE:
Interazione con l’ambiente e metodi per controllare le forze scambiate.
CONOSCENZE E CAPACITÀ DI COMPRENSIONE APPLICATE:
Scelta critica tra i diversi metodi di controllo dell’interazione. Progetto di controllori dell'interazione. Sviluppo di controllori dell'interazione con ros-control. Convalida di controllori in ambiente simulato e su robot reali.


TOTALE ORE LEZIONE/ESERCITAZIONE/LABORATORIO (34/14//24)
Teaching Methods
IL CORSO SI ARTICOLA IN LEZIONI FRONTALI (34 ORE), ESERCITAZIONI (14 ORE) E LABORATORI (24 ORE).

LE LEZIONI FRONTALI CONSENTIRANNO ALLO STUDENTE DI ACQUISIRE LE CONOSCENZE DI RELATIVE ALL'ANALISI DEI SISTEMI DINAMICI ED IL CONSEGUENTE SVILUPPO DI CONTROLLORI AVANZATI, ANCHE PER STRUTTURE ROBOTICHE.

LE ESERCITAZIONI ED I LABORATORI CONSENTIRANNO ALLO STUDENTE DI SVILUPPARE LE CAPACITÀ E DI APPLICARE TALI CONOSCENZE.

L’INSEGNAMENTO PREVEDE ANCHE LO SVILUPPO DI UN ELABORATO DI GRUPPO FINALIZZATO ALL’ACQUISIZIONE DELLE SUDDETTE CAPACITÀ. LO SVILUPPO DELL’ELABORATO SARÀ DISCUSSO CON LA CLASSE IN 4 ORE DELL’INSEGNAMENTO E INDIVIDUALMENTE CON LO STUDENTE DURANTE LE ORE DI RICEVIMENTO DEL DOCENTE.

LA PARTECIPAZIONE ALLE ORE DI DIDATTICA FRONTALE È OBBLIGATORIA E L’ACCESSO ALL’ESAME RICHIEDE LA FREQUENZA DI ALMENO IL 70% DELLE ORE DI LEZIONE ED ESERCITAZIONE.
Verification of learning
L’ESAME CONSISTE NELLA DISCUSSIONE DEL PROGETTO ED IN UNA PROVA ORALE. LA PROVA ORALE VERIFICHERÀ LE CONOSCENZE TEORICHE, ANCHE CON RIFERIMENTO AGLI ARGOMENTI SVILUPPATI NELL'AMBITO DEL PROGETTO.

LA VALUTAZIONE FINALE È ESPRESSA IN TRENTESIMI CON EVENTUALE LODE, CON LA DISCUSSIONE DEL PROGETTO CHE PESA PER IL 60% E IL COLLOQUIO ORALE PER IL 40%.

IL LIVELLO DI VALUTAZIONE MINIMO (18/30) È ATTRIBUITO QUANDO LO STUDENTE, PUR DIMOSTRANDO APPLICAZIONE NELLO STUDIO, DIMOSTRA INCERTEZZE NELL’APPLICAZIONE DEI METODI STUDIATI, NE HA UNA LIMITATA CONOSCENZA E PRESENTA UNA SCARSA CAPACITÀ ESPOSITIVA.

IL LIVELLO MASSIMO (30/30) È ATTRIBUITO QUANDO LO STUDENTE DIMOSTRA UNA CONOSCENZA COMPLETA ED APPROFONDITA DEI METODI ED È IN GRADO DI RISOLVERE I PROBLEMI PROPOSTI INDIVIDUANDO I METODI PIÙ APPROPRIATI.

LA LODE VIENE ATTRIBUITA QUANDO IL CANDIDATO DIMOSTRA SIGNIFICATIVA PADRONANZA DEI CONTENUTI TEORICI ED OPERATIVI E MOSTRA DI SAPER PRESENTARE GLI ARGOMENTI CON NOTEVOLE PROPRIETÀ DI LINGUAGGIO E CAPACITÀ DI ELABORAZIONE AUTONOMA ANCHE IN CONTESTI DIVERSI DA QUELLI PROPOSTI DAL DOCENTE.
Texts
[T1] K.J. ASTROM, R.M. MURRAY, FEEDBACK SYSTEMS: AN INTRODUCTION TO SCIENTISTS AND ENGINEERS, 2020 DISPONIBILE SUL WEB

[T2] SLOTINE, LI, APPLIED NONLINEAR CONTROL, PEARSON EDUCATION, 1991

[T3] F. BULLO, LECTURES ON NETWORK SYSTEMS, 2022, DISPONIBILE SUL WEB

[T4] S. STROGATZ, NONLINEAR DYNAMICS AND CHAOS, 2ND EDITION, CRC PRESS

[T5] B. SICILIANO, L. SCIAVICCO, L. VILLANI, G. ORIOLO, ROBOTICS - MODELLING, PLANNING AND CONTROL, SPRINGER, LONDON, 2009, ISBN 978-1-84628-642-1, ENGLISH LANGUAGE. (IN ITALIANO: B. SICILIANO, L. SCIAVICCO, L. VILLANI, G. ORIOLO, “ROBOTICA - MODELLISTICA, PIANIFICAZIONE E CONTROLLO”, TERZA EDIZIONE, MCGRAW-HILL, 2008)

[T6] MATERIALE DIDATTICO INTEGRATIVO SARÀ DISPONIBILE NELLA SEZIONE DEDICATA DELL'INSEGNAMENTO ALL'INTERNO DELLA PIATTAFORMA E-LEARNING DI ATENEO (HTTP://ELEARNING.UNISA.IT) ACCESSIBILE AGLI STUDENTI DEL CORSO TRAMITE LE CREDENZIALI UNICHE DI ATENEO.
More Information
L'INSEGNAMENTO E' EROGATO IN ITALIANO.
  BETA VERSION Data source ESSE3 [Ultima Sincronizzazione: 2022-09-16]