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SERGIO CALLEGARI
Docente Interateneo
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Electronic Systems/Automatic Controls
Advanced Automotive Engineering (Offerta formativa 2022)
Obiettivi formativi
MODULO SISTEMI ELETTRONICI
Il corso si propone di fornire agli studenti gli strumenti per conoscere e comprendere gli elementi fondamentali sulla base dei quali operano i sistemi elettronici in uso in ambito automotive. La finalità non è quella di formare progettisti elettronici, quanto di offrire una competenza di base ampia che favorisca la capacità di lavorare all’interno di team interdisciplinari che comprendano anche progettisti elettronici ed esperti di tecnologie dell’informazione.
MODULO CONTROLLI AUTOMATICI
Dopo un breve riassunto sui concetti elementari di algebra lineare, il corso fornirà agli studenti gli strumenti fondamentali per la modellazione e l'analisi dei sistemi dinamici (multivariabili) e delle loro proprietà strutturali. Saranno introdotti strumenti di base della teoria dei sistemi e sarà affrontata la progettazione di schemi di controllo avanzati.
Prerequisiti
MODULO SISTEMI ELETTRONICI
- Fondamenti di Teoria dei Circuiti
- Trasformate di Fourier e Laplace
- Elementi di base di informatica e reti logiche
MODULO CONTROLLI AUTOMATICI
- Algebra Lineare
- Analisi dei sistemi SISO: Trasformata di Laplace; Diagrammi di Bode e di Nyquist; Criteri di stabilità per sistemi SISO
- PID for SISO systems
Programma del corso
MODULO SISTEMI ELETTRONICI
Introduzione: sensing, condizionamento di segnale, elaborazione dell’informazione, attuazione. Struttura di sistemi elettronici interfacciati con parti meccaniche. Richiami di teoria dei circuiti.
Gli ingredienti: elementi di base su dispositivi. Uso dei transistor come interruttori e come regolatori continui. Elementi di tecnologie per la realizzazione di sensori e trasduttori.
Sistemi digitali: elementi di reti logiche; segnali digitali; reti combinatorie e sequenziali; famiglie logiche; rappresentazione di numeri; blocchi funzionali fondamentali. ALU e microcontrollori. PLA e FPGA.
Sistemi analogici: amplificatore operazionale, filtri elementari, tecniche di condizionamento del segnale.
Acquisizione dati e rappresentazione dell’informazione: conversione D/A e A/D.
Time encoding: conversione V/F e F/V; modulazioni a larghezza di impulso e a densità di impulso.
Cenni su attuazione e conversione di potenza: ancora sulla regolazione continua e la regolazione a commutazione.
MODULO CONTROLLI AUTOMATICI
PARTE 1 - Teoria dei sistemi
Rappresentazione nello spazio egli stati, stabilità, raggiungibilità, osservabilità, decomposizione canonica di Kalman, controllo ottimo, stima ottima dello stato
PARTE 2 - Applicazioni
Controlli longitudinali: Anti-Lock Braking System (ABS), Traction Control System (TCS), Adaptive Cruise Control (ACC)
Controlli verticali: Active Suspension Systems (ASS)
Controlli Laterali: Electronic Stability Control (ESC)
Stima dello stato
Metodi didattici
L’insegnamento prevede lezioni frontali teoriche, presentate sia alla lavagna, sia con l’ausilio di diapositive. Alcune lezioni saranno dedicate ad esercizi, esempi, casi di studio sia alla lavagna sia con dimostrazioni basate sull’uso di sistemi di calcolo numerico (p.e., Matlab), ambienti grafici di programmazione e simulazione di sistemi dinamici multidominio (p.e., Simulink), o simulatori circuitali (p.e., Spice). Le diapositive del corso saranno rese disponibili agli studenti. Lo stesso avverrà per il codice utilizzato per gli esempi, le dimostrazioni e i casi di studio.
Testi di riferimento
- A. Smaili, F. Mrad, “Applied Mechatronics”, Oxford University Press, 2008
- W. Ribbens, “Understanding automotive electronics: an engineering perspective”, Elsevier, 8th Edition, 2017
AUTOMATIC CONTROLS MODULE
PARTE 1
[1] P. J. Antsaklis, A. N. Michel, "Linear Systems" - Birkhauser (2006) - - ISBN 978-0-8176-4434-5
[2] Frank L. Lewis, Draguna L. Vrabie, Vassilis L. Syrmos, "Optimal Control", Third Edition (2012) - Print ISBN:9780470633496 Online ISBN:9781118122631 DOI:10.1002/9781118122631
[3] D. Simon, “Optimal State Estimation: Kalman, H Infinity, and Nonlinear Approaches” – Wiley (2006)
[4] Weintraub, "Jordan Canonical Form. Theory and Practice" - Morgan & Claypool (2009)
PARTE 2
[5] U. Kiencke, L. Nielsen. “Automotive Control Systems: For Engine, Driveline and Vehicle” - Second Edition – Springer (2005) - ISBN 978-3-642-06211-7
[6] R. Rajamani. “Vehicle Dynamics and Control” – Springer (2012) - ISBN 978-1-4899-8546-0
[7] W. Chen, H. Xiao, Q. Wang, L. Zhao, M. Zhu. “Integrated Vehicle Dynamics and Control” – Wiley (2016)
[8] T. Gillespie, “Fundamentals of Vehicle Dynamics” - Weber (1992)
[9] Ulsoy, A. Galip, Huei Peng, and Melih Çakmakci. "Automotive control systems". Cambridge University Press, 2012.
Verifica dell'apprendimento
MODULO SISTEMI ELETTRONICI
La valutazione dell’apprendimento si basa su una prova scritta e una prova orale.
La prova scritta comprende alcuni esercizi finalizzati a verificare sia la comprensione dei contenuti del corso (e in particolare di alcune parti di esso), sia l’acquisizione di una capacità pratica di maneggiare alcuni strumenti di analisi e di progetto.
La prova orale complementa quella scritta con l’approfondimento di aspetti teorici.
MODULO CONTROLLI AUTOMATICI
L'esame è costituito da un progetto di gruppo (max 3 studenti) in cui gli studenti risolvono un problema di controllo in ambito automotive. L' esame prevede la stesura di una relazione tecnica e della preparazione di un simulatore sul quale testare la soluzione proposta. Durante lo sviluppo del progetto il gruppo è caldamente invitato al confronto con il docente in una logica di sottomissione-revisione ricorsiva fino al raggiungimento del voto ritenuto sufficiente dagli studenti del gruppo. Tutti i membri dello stesso gruppo ricevono lo stesso voto sulla scala dei trentesimi.
Per superare l'esame gli studenti devono dimostrare di conoscere le basi per la buona progettazione di un sistema di controllo in ambito automotive. Il voto del progetto sarà proporzionale al livello di dettaglio e alla qualità del lavoro prodotto.
Risultati attesi
MODULO SISTEMI ELETTRONICI
Al termine del corso, lo studente possiede conoscenze utili a praticare forme semplici di condizionamento del segnale, acquisizione dati ed elaborazione dell’informazione con specifico riferimento ad applicazioni meccatroniche e automotive.
Inoltre, è educato a leggere documentazione tecnica, a interpretare i risultati di simulazioni di sistema e circuitali e a utilizzare formalismi, notazioni e indici di merito che ne favoriscano il proficuo inserimento in team interdisciplinari comprendenti esperti di tecnologie dell’informazione ed elettronica.
MODULO CONTROLLI AUTOMATICI
Al termine del corso, lo studente possiede conoscenze utili ad analizzare il comportamento dei sistemi dinamici nel dominio del tempo. E’ inoltre in grado di progettare strutture e algoritmi per il controllo della dinamica dei veicoli.