SISTEMI NON LINEARI

Docenti: 
PIAZZI Aurelio
Codice dell'insegnamento: 
10424*7609*2016*2015*1
Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2017/2018
Settore scientifico disciplinare: 
AUTOMATICA (ING-INF/04)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Lingua dell'insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Obiettivi dell’insegnamento in relazione a comprensione e conoscenza sono:
- Comprensione dei fenomeni associati ai sistemi dinamici non lineari: equilibri multipli, stabilità/instabilità, cicli limite.
- Conoscenza della teoria della stabilità e sue estensioni.
- Conoscenza dei principali metodi di controllo non lineare in retroazione.
In relazione alla capacità di applicare conoscenza e comprensione, gli obiettivi sono:
- Capacità di analizzare i sistemi non lineari.
- Capacità di progettare e simulare al calcolatore sistemi di controllo non lineare nel caso scalare.

Obiettivi dell’insegnamento in relazione a comprensione e conoscenza sono:
- Comprensione dei fenomeni associati ai sistemi dinamici non lineari: equilibri multipli, stabilità/instabilità, cicli limite.
- Conoscenza della teoria della stabilità e sue estensioni.
- Conoscenza dei principali metodi di controllo non lineare.
In relazione alla capacità di applicare conoscenza e comprensione, gli obiettivi sono:
- Capacità di analizzare i sistemi non lineari.
- Capacità di simulare al calcolatore i sistemi non lineari.
- Capacità di progettare sistemi di controllo non lineare nel caso scalare.

Prerequisiti

Contenuti dell'insegnamento

1) Introduzione. Fenomeni e modelli non lineari, applicazioni all’automazione e alla robotica. Esempi. Modelli di stato non lineari: esistenza e unicità delle soluzioni. Sistemi dinamici del secondo ordine: comportamento qualitativo, diagrammi di fase, equilibri multipli, cicli limite. Richiami e cenni di matematica per i sistemi dinamici non lineari. Esempi di modellistica: cinematica di veicoli su ruote, levitatori magnetici, carriponte.
2) Sistemi autonomi. Teoria della stabilità: il metodo diretto di Lyapunov, funzioni di Lyapunov e metodo del gradiente variabile. Regione di attrazione di uno stato di equilibrio. Stabilità asintotica globale: teorema di Barbashin-Krasovskii. Instabilità: teorema di Chetaev. L’equazione algebrica di Lyapunov e il metodo indiretto. Principio di invarianza: teorema di LaSalle. Stabilità e attrattività di insiemi di stati. Cicli limite nei sistemi retroazionati: il metodo della funzione descrittiva.
3) Sistemi non autonomi. Stabilità di moti dello stato. Funzioni di classe K e KL. Il metodo diretto per la stabilità asintotica uniforme. Stabilità ingresso-stato (input-to-state stability). Metodo diretto e indiretto per la stabilità esponenziale. Teoremi inversi nello studio della stabilità.
4) Controllo non lineare. Il problema della stabilizzazione. Retroazione stato-ingresso per la stabilizzazione: funzioni di Lyapunov per il controllo, integrator backstepping. Grado relativo e forma normale di un sistema scalare affine nell’ingresso. Linearizzazione ingresso-uscita mediante retroazione stato-ingresso (feedback linearization). Dinamica zero e sistemi a fase minima. Applicazioni alla stabilizzazione. Regolazione dei sistemi scalari non lineari: il regolatore integrale. Controllo feedforward mediante inversione ingresso-uscita. L’inversione stabile per i sistemi a fase non minima: soluzioni in forma chiusa per i sistemi lineari e metodo iterativo per i sistemi non lineari. Schemi di controllo feedforward-feedback.

1) Introduzione. Fenomeni e modelli non lineari, applicazioni all’automazione e alla robotica. Esempi. Modelli di stato non lineari: esistenza e unicità delle soluzioni. Sistemi dinamici del secondo ordine: comportamento qualitativo, diagrammi di fase, equilibri multipli, cicli limite. Richiami e cenni di matematica per i sistemi dinamici non lineari. Esempi di modellistica: cinematica di veicoli su ruote, levitatori magnetici, carriponte. [10 ore]
2) Sistemi autonomi. Teoria della stabilità: il metodo diretto di Lyapunov, funzioni di Lyapunov e metodo del gradiente variabile. Regione di attrazione di uno stato di equilibrio. Stabilità asintotica globale: teorema di Barbashin-Krasovskii. Instabilità: teorema di Chetaev. L’equazione algebrica di Lyapunov e il metodo indiretto. Principio di invarianza: teorema di LaSalle. Stabilità e attrattività di insiemi di stati. Cicli limite nei sistemi retroazionati: il metodo della funzione descrittiva. [12 ore]
3) Sistemi non autonomi. Stabilità di moti dello stato. Funzioni di classe K e KL. Il metodo diretto per la stabilità asintotica uniforme. Stabilità ingresso-stato (input-to-state stability). Metodo diretto e indiretto per la stabilità esponenziale. Teoremi inversi nello studio della stabilità. [6 ore]
4) Controllo non lineare. Il problema della stabilizzazione. Retroazione stato-ingresso per la stabilizzazione: funzioni di Lyapunov per il controllo, integrator backstepping. Grado relativo e forma normale di un sistema scalare affine nell’ingresso. Linearizzazione ingresso-uscita mediante retroazione stato-ingresso (feedback linearization). Dinamica zero e sistemi a fase minima. Applicazioni alla stabilizzazione. Regolazione dei sistemi scalari non lineari: il regolatore integrale. Controllo feedforward mediante inversione ingresso-uscita. L’inversione stabile per i sistemi a fase non minima: soluzioni in forma chiusa per i sistemi lineari e metodo iterativo per i sistemi non lineari. Schemi di controllo feedforward-feedback. [14 ore]

Programma esteso

Bibliografia

- Diapositive pdf delle lezioni rese disponibili sul sito web dell’insegnamento.
TESTI DI APPROFONDIMENTO
1) H.K. Khalil, Nonlinear Control, Pearson Education Limited (Global Edition Paperback), 2014.
2) H.J. Marquez – Nonlinear control systems: analysis and design, Wiley,
2003.
3) J.-J. E. Slotine, W. Li – Applied Nonlinear Control. Prentice-Hall, 1991.
4) A. Isidori, Nonlinear Control Systems, third edition, Springer, 2013.
5) H.K. Khalil, Nonlinear Systems, third edition, Prentice-Hall, 2002.

I materiali didattici e le diapositive pdf delle lezioni sono disponibili sul sito dell’insegnamento http://elly.dia.unipr.it/2017/course/view.php?id=274. Come testi per approfondimenti si segnalano i seguenti:
1) H.K. Khalil, Nonlinear Control, Pearson Education Limited (Global Edition Paperback), 2014.
2) H.J. Marquez, Nonlinear control systems: analysis and design, Wiley, 2003.
3) J.-J. E. Slotine, W. Li, Applied Nonlinear Control. Prentice-Hall, 1991.
4) A. Isidori, Nonlinear Control Systems, third edition, Springer, 1995.
5) H.K. Khalil, Nonlinear Systems, third edition, Prentice-Hall, 2002.

Metodi didattici

Lezioni di teoria con uso alternato di diapositive e spiegazioni alla lavagna. Esercitazioni di analisi e sintesi con l’ausilio del software MATLAB.

Lezioni di teoria con uso alternato di diapositive e spiegazioni alla lavagna. Esercitazioni di analisi e sintesi con l’ausilio del software MATLAB nel Laboratorio di Informatica. Le diapositive utilizzate a supporto delle lezioni sono caricate settimanalmente sul sito online dell’insegnamento e costituiscono il principale materiale didattico delle lezioni.

Modalità verifica apprendimento

Prova scritta e successiva prova orale.

La valutazione dell’apprendimento avviene con una prova scritta seguita dopo una settimana circa da una prova orale.

Per partecipare alle prove scritte è obbligatoria l’iscrizione sul sito online ESSE3 dell’Università. Durante la prova scritta non è consentito consultare appunti, dispense, libri, ecc. Alcune parti delle prove scritte prevedono l’utilizzo di una calcolatrice scientifica di base. Dopo due-tre giorni dalla data di svolgimento della prova scritta ne vengono comunicati gli esiti sul sito web dell’insegnamento. L’esito per accedere alla prova orale è dato dal raggiungimento di almeno 16 punti su di una scala da 0 a 30.

Il voto finale viene espresso in trentesimi (0-30) ed è ottenuto come media ponderata dei voti conseguiti nella prova scritta e nella prova orale.

Altre informazioni