Corso di Laboratorio di Automatica

Alcuni chiarimenti circa le prove d'esame:

• I voti conseguiti nelle prove superate (esonero, compito scritto, prova pratica) si conservano fino alla fine della sessione invernale successiva (cioè sono cancellati quando comincia il corso dell'A.A. successivo)
• Si può sostenere la prova pratica solo dopo aver conseguito un voto ≥18 nella prova scritta (o esonero)
• Il voto della prova pratica aggiunge al voto della prova scritta ±5 punti (quindi con 20 allo scritto, si può avere un voto finale al compreso fra 15 e 25, e ovviamente l'esame complessivo è passato solo se la votazione finale è ≥18).
• Partecipare alla prova pratica implica l'accettazione del fatto che il voto finale sarà dato dalla regola precedente; in particolare, non si può ripetere la prova scritta (o esonero) dopo aver sostenuto la prova pratica.
• La prova pratica si svolge tipicamente in LABORATORIO DI INFORMATICA.
  • È NECESSARIO portare il proprio kit Arduino.
  • È possibile portare il proprio computer portatile e lavorare con tale computer invece che con le macchine disponibili in laboratorio.
  • Negli appelli con più turni, occorre segnalare direttamente al docente il turno nel quale si desidera sostenere l'esame mediante email con subject: "TURNO ESAME L.A. del giorno gg/mm/aaaa", aggiungendo se necessario la specifica "mattina" o "pomeriggio".

Quesiti tipo per la prova pratica:

• Usare Simulink per simulare per 4 secondi il sistema dinamico: \begin{align*} \dot{x}=\begin{bmatrix}x_2\\ -x_1 x_3\\ -(1+x_3^2)x_3+u\end{bmatrix}, \qquad \text{ con } x_0=\begin{bmatrix}0\\ 1 \\ 1\end{bmatrix}, \qquad u(t)=3\sin(4t), \end{align*} visualizzando l'evoluzione dello stato nel tempo, e il grafico di \(x_2\) rispetto a \(x_1\) mediante blocco "XY graph"
• Usare il comando odexx di MATLAB per risolvere il sistema dinamico dell'esercizio precedente, e visualizzando i grafici richiesti.
• Realizzare un circuito contenente un bottone e due LED, che realizzi il seguente comportamento: alla prima pressione del bottone si accende il primo LED, alla seconda pressione si accende anche il secondo LED, alla terza pressione si spengono entrambi.
• Realizzare un circuito contenente un potenziometro e cinque LED, che accenda più LED man mano che gira la manopola del potenziometro, comunicando via seriale (e visualizzando sul serial monitor) la lettura dal potenziometro.
• Realizzare un circuito contenente un potenziometro, un transistor e un motore CC, che realizzi il seguente comportamento: il motore parte da fermo con la manopola del potenziometro in posizione limite da una parte, e man mano che si gira la manopola, il motore gira a velocità proporzionale alla rotazione effettuata dalla manopola.

Comunicazioni:

• [24/07/2017 NEW!] Online i risultati dell'appello del 24/07/2017
• [23/06/2017 NEW!] Date per gli appelli autunnali, prova scritta:
  • 08/09/2017, h.10:00-13:00, AULA 3: primo appello
  • 20/09/2017, h.10:00-13:00, AULA 3: secondo appello
  Date per gli appelli autunnali, prova pratica:
  • 12/09/2017, h.15:00-18:00, Laboratorio di Informatica: primo appello
  • 21/09/2017, h.15:00-18:00, Laboratorio di Informatica: secondo appello
• [26/06/2017] Online i risultati dell'appello del 23/06/2017
• [15/06/2017] Online il testo di uno dei compiti d'esonero del 26/05/2017
• [15/06/2017] Online i risultati dell'esonero del 26/05/2017, con una piccola correzione
• [31/05/2017] Dalla lezione del 05/06/2017 fino a fine corso, la lezione del lunedì è spostata in AULA 4. Portare il proprio computer e il kit Arduino.
• [26/04/2017] Links al testo e alla soluzione di alcuni compiti degli anni passati:
  • compito del 13/07/2016 e relativa soluzione.
  • compito del 27/06/2016 e relativa soluzione.
  • compito del 27/06/2016 e relativa soluzione, alla quale vanno apportate le seguenti correzioni:
    • soluzione dell'esercizio 2.A: nella soluzione è riportato \(e_5=R_5^{-1}f_5\) invece di \(e_5=R_5 f_5\)!
    • soluzione dell'esercizio 3.A: per errore nella semplificazione del bond graph è stata invertita la direzione della potenza dall'ottava giunzione zero alla giunzione uno posta alla sua destra!
  • compito del 13/07/2016 e relativa soluzione, alla quale vanno apportate le seguenti correzioni:
    • soluzione dell'esercizio 3.B: per errore nelle soluzioni sono stati omessi \(R_2\) e \(C_3\)!
  • compito e relativa soluzione.
  • compito e relativa soluzione.
• [12/04/2017] Date per esonero e appelli estivi scritti:
  • 26/05/2017, h.16:00-19:00, AULE 1 e 2: esonero
  • 23/06/2017, h.16:00-19:00, AULE 1 e 2: primo appello scritto
  • 24/07/2017, h.10:00-13:00, AULE 1 e 2: secondo appello scritto
• [23/03/2017] Scaricare ed installare MATLAB seguendo le istruzioni riportate su questo link.
  
  NOTA 1: il codice di attivazione lo trovate sul Delphi
  
  NOTA 2: dovete usare l'indirizzo e-mail generato dal Centro di Calcolo di Ateneo, vedi questo link.
  
  NOTA 3: per l'attivazione dell'e-mail, il link indicato sembra non aggiornato, dovete invece andare qui.
  
  
• [06/03/2017]Inizio delle lezioni, aula B3! Iscriversi sul Delphi!

Docente: Sergio Galeani (E-mail)

Obiettivi del Corso: Fornire le nozioni di base per

• l'uso di software matematico per la simulazione numerica e il calcolo simbolico;
• la descrizione di sistemi dinamici di diversa natura (termici, meccanici, idraulici) tramite il metodo dei bond graphs;
• l'uso della piattaforma Arduino.

Risultati di apprendimento previsti: al termine del corso, lo studente sarà in grado di:

• programmare in Matlab/Simulink;
• ricavare la rappresentazione bond graph di semplici sistemi meccatronici;
• costruire prototipi basati sulla piattaforma Arduino.

Orario delle lezioni:

• Lunedì ore 16:00 - 17:30, Aula B3
• Mercoledì ore 14:00 - 15:30, Aula B1
• Orario di laboratorio: ----

Orario di ricevimento studenti:

• Prima/dopo lezione o per appuntamento.

Testi consigliati:

• Karnopp, Margolis, Rosenberg, "System dynamics", John Wiley, 2012
• Articoli e dispense aggiuntivi forniti dal docente.

Programma delle lezioni A.A.2016/2017:

1. Lezione del 06/03/2017 (2 ore):
   Introduzione al corso e agli argomenti trattati.
   Teoria dei sistemi: il concetto di sistema dinamico e di stato.
   Teoria del controllo: i sistemi a controreazione (feedback), la stabilizzazione.
   Presentazione di un robot da parte del prof. Martinelli.
2. Lezione del 08/03/2017 (2 ore):
   Struttura del corso e argomenti trattati: modellazione, simulazione, prototipazione.
   Il concetto di modello: livelli di dettaglio, scopo della modellazione e scelta delle approssimazioni lecite.
   Modelli a tempo continuo, a tempo discreto, ibridi.
   Un esempio di sistema fisico (sospensione/circuito RLC) e del corrispondente modello: bond graph, diagramma a blocchi, equazioni differenziali.
   I diagrammi a blocchi: elementi, prime proprietà.
   I diagrammi a blocchi come sistemi di equazioni, anche differenziali e nonlineari.
   Riferimenti: torneremo sui temi indicati, per ora bastano gli appunti (provare a ricordare quali fra i punti discussi sono stati indicati come essenziali).
3. Lezione del 13/03/2017 (2 ore):
   I diagrammi a blocchi: regole di semplificazione, forma minima. Esempio.
   I diagrammi di flusso di segnale: regole di semplificazione. Esempio.
   Riferimenti: questa dispensa, fino a pagina 41.
4. Lezione del 15/03/2017 (2 ore):
   Lezione sospesa per consentire la visita alla RomeCup.
5. Lezione del 20/03/2017 (2 ore):
   I diagrammi di flusso di segnale: formula di Mason con esempio.
   I diagrammi di flusso di segnale: regola di inversione di percorsi con esempi.
   Riferimenti: questa dispensa.
   Esercizi aggiuntivi: ce ne sono diversi, svolti e non, in questa dispensa.
   Introduzione alla analogia idraulica-elettrica. Il partitore di tensione.
   Esercizio: ricavare il grafo di flusso del partitore a pag. 45 di questa dispensa..
6. Lezione del 22/03/2017 (2 ore):
   Rete a scala di resistori (sequenza di partitori di tensione) come esempio di:
   • inversione di percorso in un grafo di flusso;
   • connessione in cascata di grafi di flusso;
   • applicazione della formula di Mason.
   
   L'effetto di carico: confronto fra
   • connessione di diagrammi a blocchi (diagrammi computazionali);
   • connessione di bipoli (diagrammi "fisici");
   • scambio di segnali vs scambio di potenza.
   
   Introduzione ai concetti di "porta" per lo scambio di potenza e di compatibilità dell'interconnessione.
   Riferimenti: pagg. 45-46 di questa dispensa.
   Riferimenti aggiuntivi: paragrafi 8.7-8.8 di questa dispensa.
   Esercizi: ce ne sono diversi, svolti e non, in questa dispensa..
7. Lezione del 27/03/2017 (2 ore):
   Introduzione ai Bond Graph (BG).
   Variabili di energia e di potenza.
   Bond e porte.
   Tipi di elementi e uso dell'energia: dissipazione, accumulo, produzione, combinazione.
   Elementi 1-port: dissipatori (R), accumulatori di energia cinetica (I) e potenziale (C).
   Elementi passivi (R, I, C): realizzazioni fisiche (di natura meccanica traslazionale, meccanica rotazionale, elettrica, idraulica) e diagrammi a blocchi corrispondenti.
   Riferimenti: questa dispensa, Paragrafi 1.6-1.9, 2.1-2.2.4.
8. Lezione del 29/03/2017 (2 ore):
   Elementi dei Bond Graph (BG), con esempi fisici in vari domini e diagrammi a blocchi equivalenti.
   Elementi 1-port: sorgenti di flusso (Se) e di sforzo (Sf).
   Elementi 2-port: trasformatori (TF) e giratori (GY).
   Elementi n-port: giunzioni 0 e 1. Relazioni Primarie e Secondarie.
   Riferimenti: questa dispensa, Paragrafi 2.2.5-2.5.
9. Lezione del 03/04/2017 (2 ore):
   Regole per la trasformazione dal circuito idraulico/elettrico al Bond Graph.
   Regole di semplificazione dei Bond Graph.
   Due esempi di trasformazione di un circuito elettrico in Bond Graph.
   Due esempi di trasformazione di circuiti idraulici in Bond Graph.
   I bond attivati (ovvero di puro segnale, non di potenza).
   Riferimenti: questa dispensa, paragrafi 3.2, 3.5-3.6.
10. Lezione del 05/04/2017 (2 ore):
    Un esempio di trasformazione di circuito meccanico traslazionale in Bond Graph.
    Un esempio di trasformazione di un circuito meccanico rotazionale in Bond Graph.
    Regole di assegnazione della causalità nei Bond Graph.
    Esempio di assegnazione della causalità sul Bond Graph di un sistema visto in precedenza.
    Riferimenti: questa dispensa, paragrafi 3.3-3.4, 3.7.
11. Lezione del 10/04/2017 (2 ore):
    Riepilogo dell'assegnazione della causalità del Bond Graph.
    Regole per la derivazione di equazioni del sistema dal Bond Graph, nel caso senza loop algebrici e senza causalità derivative.
    Trasformazione delle equazioni del sistema alla forma matriciale.
    Due esempi di assegnazione della causalità e derivazione delle equazioni del sistema.
    Per il secondo esempio, passaggio dal BG al BD.
    Riferimenti: questa dispensa, paragrafo 3.8.
12. Lezione del 12/04/2017 (2 ore):
    Risoluzione dei loop algebrici sui Bond Graph. Esempio.
    Risoluzione della causalità derivativa sui Bond Graph. Esempio.
    Significato fisico dei loop algebrici e della causalità derivativa.
    Corretto orientamento delle mezze-frecce di potenza quando le direzioni convenzionali sono indicate nel circuito.
    Corretto orientamento delle mezze-frecce di potenza per sistemi meccanici quando le direzioni convenzionali sono indicate come trazione e compressione.
    Riferimenti: questa dispensa, paragrafo 3.9 e appunti.
13. Lezione del 26/04/2017 (2 ore):
    Introduzione a Matlab.
    Comandi elementari per la definizione di matrici e l'elaborazione di esse.
    Uso dell'help. Visualizzazione di esempi.
    L'operatore ":". Funzioni array.
    Alcuni semplici grafici.
    Riferimenti: questa dispensa, Capitoli 1 e 2, e appunti.
14. Lezione del 03/05/2017 (2 ore):
    Introduzione a Simulink.
    I blocchi Sum, Gain, Integrator, Scope, Signal generator; impostazione di base dei parametri.
    Uso di Simulink per la simulazione di un semplice sistema dinamico lineare.
    Definizione di funzioni in MATLAB.
    Uso di MATLAB per l'integrazione di equazioni differenziali: l'oscillatore di van der Pol.
    Riferimenti: appunti (e altro in arrivo; ma ci torneremo).
15. Lezione del 08/05/2017 (2 ore):
    MATLAB: functions of functions, function handles.
    Riferimenti: appunti, sezioni "Function Handles", "Function Functions" in questa dispensa.
    MATLAB: funzioni anonime; funzioni annidate e scope di variabili.
    Riferimenti: appunti, sezioni "Anonymous Functions", "Nested Functions" in questa dispensa.
    Uso di MATLAB per l'integrazione di equazioni differenziali: il sistema di Lorenz, l'oscillatore di van der Pol.
    Riferimenti: appunti, esempi visti in classe, help/doc di ode23 (con moderazione).
    Esercizi: implementare con ode23 o ode45 i sistemi assegnati (Rossler, Rabinovich-Fabrikant). Implementare tali sistemi e gli altri visti a lezione (Lorenz, van der Pol) in Simulink, con un integratore per ciascuna equazione.
16. Lezione del 10/05/2017 (2 ore):
    Chiarimenti su compiti ed esonero.
    Esempi visti in classe
    MATLAB: uso di funzioni parametrizzate per integrare con ode23 nel caso di sistemi con ingressi.
    Riferimenti: appunti, script "simWithInput.m", sezione "Parameterizing Functions" nella documentazione di MATLAB (il primo risultato visualizzato scrivendo "doc Parameterizing Functions"[INVIO] nella Command window).
    Simulink: salvataggio di variabili nel workspace (blocco "To Workspace"); uso dei blocchi Mux/Demux; uso del blocco "MATLAB Function".
    Riferimenti: appunti, schema Simulink "f_simulink.slx".
    Confronto in MATLAB dei risultati dell'integrazione dello stesso sistema in MATLAB e Simulink.
    Riferimenti: appunti, script "vander_text.m".
17. Lezione del 15/05/2017 (2 ore):
    Esercizi in preparazione dell'esonero: esercizi 2, 3, 4 del compito del 25/01/2016, con varianti.
18. Lezione del 17/05/2017 (2 ore):
    Esercizi in preparazione dell'esonero: esercizio 1 del compito del 25/01/2016, con varianti.
19. Lezione del 22/05/2017 (2 ore):
    Esercizi in preparazione dell'esonero.
20. Lezione del 24/05/2017 (2 ore):
    Esercizi in preparazione dell'esonero.
21. Lezione del 26/05/2017 (2 ore):
    Esonero.
22. Lezione del 29/05/2017 (2 ore):
    Introduzione ad Arduino.
    Elementi di struttura hardware.
    Struttura del software.
    Segnali analogici, digitali, conversione.
    Riferimenti: appunti e slide.
    Compiti: installare il software di Arduino dal sito.
23. Lezione del 31/05/2017 (4 ore): non c'è in aula.
    Scaricare e vedere i video seguenti (anche non tutti subito...):
    • video
    • video
    • video
    
    Attenzione che ogni tanto c'è qualche errore! Per vedere il video, consiglio VLC
24. Lezione del 05/06/2017 (3 ore): lezione di laboratorio in AULA 4, per risolvere problemi riscontrati nell'uso di Arduino. Portare il proprio computer e il kit di Arduino!
25. Lezione del 07/06/2017 (4 ore): non c'è in aula.
    Scaricare e vedere i video seguenti (anche non tutti subito...):
    • video
    • video
    
    Attenzione che ogni tanto c'è qualche errore! Per vedere il video, consiglio VLC
26. Lezione del 12/06/2017 (3 ore): lezione di laboratorio in AULA 4, per risolvere problemi riscontrati nell'uso di Arduino. Portare il proprio computer e il kit di Arduino!
27. Lezione del 14/06/2017 (2 ore): revisione esonero (a richiesta).
28. Lezione del 19/06/2017 (3 ore): lezione di laboratorio in AULA 4, per risolvere problemi riscontrati nell'uso di Arduino. Portare il proprio computer e il kit di Arduino!