Roberto Zanasi
INFORMAZIONI ESSENZIALI
PER IL SITO WEB DEL CIRA
a) Simulazione di sistemi dinamici.
In questo
ambito, il candidato ha sviluppato e messa a punto un programma,
denominato MICOSS, orientato alla simulazione di sistemi dinamici
lineari, non lineari, a tempo-continuo e a tempo-discreto.
Il programma permette di specificare non solo i
parametri del sistema fisico da controllare, ma anche quelli dei
vincoli realizzativi e delle condizioni operative del dispositivo
di controllo, quali per esempio l'aritmetica di elaborazione, il
periodo di campionamento delle variabili, la commutazione dei
segnali di attuazione, ecc. All'interno del programma sono
presenti anche numerosi blocchi dedicati alla simulazione di
sistemi di controllo di tipo PWM. Lo sviluppo di programmi
simulativi del tipo Matlab/Simulink ha ormai reso obsolete le
funzionalità grafiche del programma MICOSS, ma il lavoro svolto
dal candidato nello sviluppo di questo programma gli ha permesso
di maturare competenze specifiche nel settore della modellistica e
della simulazione dei sistemi dinamici che lo ha portato
successivamente allo sviluppo della tecnica modellistica
denominata "Power-Oriented Graphs".
b) Controllo Robusto e Controllo Sliding Mode con Azione
Integrale.
Lo studio comparato della teoria del Controllo Binario e della
più diffusa teoria del Controllo Sliding Mode ha portato il
candidato a sviluppare un nuovo regolatore non lineare che combina
fra loro queste due tecniche di Controllo. L'algoritmo proposto
è del tipo a Struttura Variabile con l'aggiunta originale di
un'azione integrale non lineare che si dimostra essere efficace
nello stimare i disturbi esterni agenti sul sistema. L'azione
della parte integrale, unitamente alla presenza del termine
switching di ampiezza piccola a piacere, permette di ottenere un
comportamento globale molto "robusto" sia rispetto all'azione
dei disturbi esterni che alle variazioni di parametri interni.
Questa nuova tecnica di controllo, denominata Controllo
Discontinuo con Azione Integrale, inizialmente è stata studiata
e sviluppata per sistemi tempo-continui e poi successivamente è
stata estesa anche al caso di sistemi tempo-discreti. In
particolare, nel caso tempo-discreto sono state proposte nuove
strutture di controllo robusto, sia di natura statica che
adattativa, che sono in grado di assicurare una forte reiezione
dei disturbi esterni garantendo contemporaneamente anche una buona
riduzione del chattering presente all'interno del sistema. La
tecnica sliding mode con azione integrale è stata anche
utilizzata per progettare un regolatore non lineare con
retroazione dall'uscita in grado di assicurare ad un sistema non
lineare l'inseguimento asintotico di una traiettoria di
riferimento. Questo tipo di regolatore non lineare può essere
applicato sia a sistemi a fase minima che non minima. Questo tipo
di controllo sliding mode con azione integrale è attualmente
utilizzato con successo anche in alcuni importanti realizzazioni
industriali in ambito automotive e motion control.
c) Modellistica matematica di sistemi fisici:
Power-Oriented Graphs. Lo studio delle problematiche di
modellistica e simulazione dei sistemi dinamici ha portato il
candidato a sviluppare particolari schemi a blocchi, denominati
Power-Oriented Graphs (POG) che permettono un più diretto
controllo dei flussi di potenza presenti all'interno del sistema
fisico. Tali schemi sono particolmente utili sia nella fase di
modellazione del sistema, che nella fase di verifica della
correttezza dei risultati simulativi. Tra le altre
caratteristiche, alcuni degli aspetti interessanti di questi
schemi a blocchi sono: a) una diretta corrispondenza tra i blocchi
dello schema e gli elementi fisici reali; b) la possibilità di
inversione ingresso-uscita del sistema senza modificare la
struttura del grafo; c) la capacità di rappresentare sistemi
fisici sia mono che multi-dimensionali; d) la possibilità di
"trasformare" gli schemi POG mediante l'utilizzo di semplici
regole di trasformazione grafica; e) l'esistenza di un legame
diretto tra la rappresentazione grafica POG e la corrispondente
rappresentazione matematica nello spazio degli stati. f) la
possibilità di "ridurre" lo schema POG originario ad uno
schema POG semplificato mediante l'uso di opportune trasformazioni
di "congruenza". Questa tecnica di modellistica grafica è
stata sviluppata dal candidato in modo autonomo e originale.
Peraltro, tale tecnica ha mostrato di avere forti affinità con
un'altra tecnica modellistica, denominata "Bond-Graphs",
sviluppata negli anni 60' negli Stati Uniti dal
Prof. D.C. Karnopp.
I principali vantaggi della tecnica POG rispetto a quella dei Bond-Graphs
sono: 1) una rappresentazione grafica molto più semplice basata
sull'utilizzo di semplici schemi a blocchi opportunamente
strutturati; 2) un legame più semplice e diretto con la
descrizione dinamica del sistema nello spazio degli stati; 3) una
maggiore semplicità nella trasformazione e nella riduzione in
forma minima dei sistemi dinamici presi in considerazione; 4) la
possibilità di poter leggere e comprendere gli schemi a blocchi
di tipo POG anche senza conoscere le caratteristiche di questa
tecnica modellistica.
Esempi di modellistica POG sono
presenti in molti dei lavori scientifici del candidato, il quale
ha utilizzato questa tecnica tutte le volte che si rendeva
necessario descrivere in modo sintetico e chiaro il comportamento
dinamico del sistema fisico oggetto della trattazione.
d) Generazione di traiettorie ottime. Nella movimentazione e nel controllo dei sistemi elettromeccanici, svolge una funzione importante la determinazione di azioni di controllo in avanti e la scelta della traiettorie ottime da inseguire. In questo campo il candidato ha sviluppato particolari strutture dinamiche non lineari che automaticamente generano le traiettorie ottime "a tempo minimo" e "senza overshoot" compatibili con opportuni vincoli che possono essere imposti alle variabili di stato del sistema fisico in oggetto come, per esempio, la saturazione degli ingressi o il valore massimo ammissibile per variabili di stato del tipo: coppia, velocità, accelerazione, jerk, ecc. Inizialmente il generatore di traiettorie è stato sviluppato per sistemi del secondo ordine tempo-continuo e tempo-discreto. Successivamente è stato esteso anche al caso dei sistemi del terzo ordine sia tempo-continui che tempo-discreti. I risultati che si ritengono più significativi dell'attività di ricerca svolta in questo campo riguardano: 1) la determinazione della legge di controllo che nel caso dei sistemi tempo-discreti del terzo ordine garantisce l'inseguimento del segnale di riferimento in tempo minimo e senza overshoot. In questo caso si dimostra che il regolatore ottimo è costituito da un insieme numerabile di regolatori "lineari", ognuno dei quali è attivo in una particolare regione dello spazio degli stati; 2) la determinazione della legge di controllo che nel caso dei sistemi tempo-continui del terzo ordine garantisce tempo minimo e l'assenza di overshoot anche nel caso in cui siano presenti, contemporaneamente, dei vincoli sul valore massimo di velocità, accelerazione e jerk. In questo caso il regolatore presenta un'interessante struttura "nidificata" di tipo min-max. Si ritiene che i risultati ottenuti teoricamente in questo campo possano essere di notevole interesse, anche applicativo, nel campo del motion control.
e) Problemi di controllo in ambito "automotive". Negli
ultimi anni il candidato ha attivato numerose collaborazioni di
ricerca con importanti aziende che operano nel settore
"automotive", quali per esempio la Società Ferrari S.p.A. e la
Società Case-New Holland Italia. Tali collaborazioni hanno
portato il candidato ad approfondire numerose tematiche di
controllo in questo settore. In particolare, sono state affrontate
tematiche riguardanti il controllo di un sistema frizione, il
controllo di coppia di un sistema di trasmissione, il controllo
elettronico di un cambio marcia, il controllo attivo di una
sospensione idraulica, di un servosterzo, di un differenziale,
ecc. Queste attività di ricerca hanno portato alla pubblicazione
di numerosi articoli, molti dei quali presentati a convegni
internazionali, riguardanti la modellistica e il controllo di
sistemi elettromeccanici. In questo ambito sono state utilizzate
anche le competenze scientifiche maturate in altri settori. La
tecnica modellistica "Power-Oriented Graphs" è stata
estesamente utilizzata per descrivere in modo semplice e diretto
il modello dinamico, quasi sempre non lineare, di tutti i sistemi
elettromeccanici, anche complessi, presi in considerazione. Le
competenze maturate con il programma di simulazione MICOSS e con
lo studio dei sistemi a struttura variabile hanno permesso al
candidato di risolvere efficacemente importanti problemi di
simulazione di sistemi complessi a dimensione dinamica variabile,
come per esempio il caso di frizioni con parastrappi, o parti
meccaniche che interagiscono per mezzo di attrito statico.
L'attività di ricerca svolta nell'ambito dei generatori di
traiettorie ha permesso di giungere alla definizione di nuovi
profili di accelerazione da dare all'autovettura in modo da
ottenere un miglior comfort di guida durante i cambi marcia.
Altre tematiche in questo campo che sono state oggetto di
pubblicazioni sono le seguenti: 1) analisi delle strutture di
controllo da utilizzare nei sistemi di tipo "steer-by-wire"; 2)
modellistica dinamica e controllo di frizioni in bagno d'olio
attuate in modo elettro-idraulico; 3) sensitività artificiale
nel controllo elettronico del servosterzo per migliorare la
sicurezza di guida.
f) Altre tematiche di controllo. In parallelo alle attività di ricerca sopra descritte, il candidato si è occupato, in modo percentualmente meno significativo, anche di altre tematiche nel settore dei controlli. Tra queste è possibile segnalare: 1) lo sviluppo, in collaborazione con il Prof. G. Marro, di semplici "formule di inversione" che permettono la sintesi delle reti correttrici di uso più comune (anticipatrice, ritardatrice e a ritardo e anticipo) in modo semplice e diretto. Uno degli aspetti più interessanti di queste formule di inversione è la loro chiara interpretazione geometrica sul piano complesso di Nyquist; 2) modellistica e controllo elettronico multifase di un sistema di illuminazione pubblica; 3) messa a punto di algoritmi per la compensazione degli effetti di isteresi in dispositivi per la misura delle forze e in particolare per le celle di carico. L'algoritmo non lineare di natura discreta messo a punto in questo ambito è diventato oggetto di un brevetto attualmente attivo a livello europeo.
Controlli Automatici | 100 studenti; |
Controlli Automatici I e II | 40 studenti; |
Controlli Automatici A | 140 studenti |
Controlli Automatici B | 75 studenti |
Teoria dei Sistemi | 60 studenti; |
Fondamenti di Controlli Automatici | 40 studenti. |
Sistemi di Controllo Veicolo | 10 studenti. |
Nel 2003:
Nel 2001:
In [6] vengono studiate le caratteristiche dinamiche del Controllo Discontinuo con azione Integrale (DIC) nel caso tempo-discreto. Nell'articolo viene proposta una versione discreta del controllo DIC opportunamente modificata per tener conto delle informazioni che sono disponibili sulla derivata temporale della variabile di controllo. Questo tipo di controllore discreto risulta essere molto efficace nella riduzione del chattering nel caso in cui i parametri del sistema siano noti. Nell'articolo viene proposta e analizzata anche una struttura di controllo "adattativa" che permette di stimare efficacemente le variazioni parametriche di tipo "inerziale" che si hanno all'interno del sistema. La locale e asintotica stabilità del sistema retroazionato viene dimostrata nel caso di disturbi esterni costanti. Il controllore proposto viene poi utilizzato in simulazione per controllare un motore in corrente continua collegato ad una carico inerziale tempo-variante.