Automatics A - L
Module SYSTEM THEORY

Academic Year 2023/2024 - Teacher: Paolo Pietro ARENA

Expected Learning Outcomes

The course aims at reaching the following objectives, according to the Dublin descriptors:

CONTROLLI AUTOMATICI
1. Knowledge and understanding: at the end of the course the students will :

- analyse a linear time invatiant system, deriving a state space model and then solving the dynamic equations, also through the Laplace Transform; 

- determine the properties of stability,controllability,observability;

- write the transfer function and determine the frequency response;

2. Applying knowledge and understanding: at the end of the course the students will be able to apply the knowledge before to  design a linear regulator for an LTI dynamical system  and the related observer

3. Making judgements: students will be able to judge the potential and limits of the LTI syste  theory, in relation to modeling and stability issues.
4. Communication skills: students will be able to illustrate the basic aspects of LTI Systems, interact and collaborate as a team with other experts in the field of dynamical modeling.

Course Structure

Lessons will be mainly frontal; sometimes personal computer will be used to maximise learning objectives. It will also be used to make numerical exercises and simulations.

During exercitations some students will be asked to actively participate together wiith the professor, at the aim to stimulte attention and to perform a "sample check" of the real state of the learning status

Should teaching be carried out in mixed mode or remotely, it may be necessary to introduce changes with respect to previous statements, in line with the programme planned and outlined in the syllabus.

Attendance of Lessons

Students have not to attend the lessons mandatorily.  Regular attendance at lectures and exercises is however strongly recommended for
achievement of the expected training objectives on schedule.

Detailed Course Content

Concept of dynamic system, MIMO, SISO, MISO, SIMO systems; state variables, block diagrams; state space models; Laplace transform; Dirac impulse; teorems of frequency translation, delay, derivative and integral; initial and final value; Iverse Laplace transform; poles and zeros; transfer function; periodic functions transform; transfer function invariance; Lagrange formula for continuous and discrete systems; transition matrix: definition,properties and calculation; monimal form; poles and eigenvalues; demonstration of lagrance formula; Cayley Hamilton theorem and its use for calculation of the transition matrix; movement, trajectory and equilibrium; Lyapunov theory of equillibrium; stability for nonlinear systems; application of the definition and calculation of equilibrium point; basin of attraction;  stability in linear continuous and discrete time systems through the eigenvalue analysis; BIBO stability; diagonal form realization and characteristics; minimal form and role of residues; Routh criterion; linearization; diagonalization and Jordan form; algebraic versus geometric multiplicity;linearization; movement geometry; phase portrait; focus; nodeand saddle point; Controllability and reachability: definition, controllability matrix; A- invariance, Kalman canonical form; controllability canonical form; state linear regulator: pole placement; Ackerman formula; stabilizzability; Observability; Kalman canonical form for observability; minimal formrevisited; Observability canonical form; Luenberger observer; compensator; Separation Theorem; Linear systems of I and II order; Frequency response; Bode diagrams; Seta transform; Zeta Inverse transform; Bilinear transformation; FIR -IIR systems; Dear Beat Control, Practical exercitation are focussed to appli  some theoretical issues both through exercises and examples during lettons and using  Matlab.  In details key case study refer to frequency response, and to the design of controller and observer.

Textbook Information

Giua, Seatzu, Analisi dei sistemi dinamici, Springer; II edizione

Course Planning

 SubjectsText References
1Concetto di sistema dinamico - sistemi MIMO, SISO, MISO, SIMO, variabili di stato; Algebra degli schemi a blocchi; Modelli in forma di stato Libro di testo; capp.2-7
2Trasformata di Laplace, impulso di Dirac, impulso di durata finita. Teoremi di: traslazione in frequenza, ritardo, derivata e integrale, valore iniziale e finale. Antitrasformata di Laplace - poli e zeri - fratti semplici -Libro di testo; capp.5-6
3concetto di funzione di trasferimento; antitrasformata di poli complessi e coniugati, semplici e con molteplicità; trasformata Di una funz. Periodica; Funzione di trasf. come derivata della risposta all'impulso; invarianza della f.d.t; Libro di testo; capp.5-6
4formula di Lagrange per sistemi continui e discreti; transitorio e regime, evoluzione libera e forzata; Matrice di transizione: Proprietà; Definizione e calcolo tramite inv[sI-A]; forma minima; poli e autovalori Libro di testo; capp.3-4
5teorema di Cayley-Hamilton; Uso del teorema di C-H e del teorema di Sylvester per il calcolo di exp(At);Libro di testo; capp.3-4
6Movimento; traiettoria; equilibrio; definizione di stato di equilibrio stabile secondo Lyapunov; Stabilità nei sistemi non lineari; Libro di testo; cap.9
7applicazione della definizione di stato di equilibrio per un semplice sistema non lineare del primo ordine con una funzione generatrice cubica; bacino di attrazione; Libro di testo; cap.9
8stabilità nei sistemi lineari tempo continui e tempo discreti tramite autovalori;BIBO stabilità; realizzazione in forma diagonale tramite blocchi e caratteristiche di robustezza: forma minima e ruolo dei residui nella forma diagonale;Libro di testo; cap.9
9Criterio di Routh;Libro di testo; cap.9
10 linearizzazione; Diagonalizzazione e forma di Jordan, stabilità-molteplicità geometrica-molteplicità algebrica;Libro di testo; cap.9
11 Geometria del movimento, piano delle fasi, fuoco, nodo, sella;Libro di testo; cap.9
12raggiungibilità; matrice di raggungibilità; controllabilità a zero, controllabilità e raggiungibilità, A-invarianza, matrice di controllabilità, forma canonica di Kalman per la controllabilità,Libro di testo; cap.11
13forma canonica di controllo; regolatore lineare sullo stato: allocazione arbitraria degli autovalori; formula di Ackermann; stabilizzabilità; Libro di testo; cap.11
14osservabilità; Forma canonica di Kalman, forma minima, forma canonica di osservabilità, osservatore; compensatore - teorema della separazione;Libro di testo; cap.11
15sistemi del primo e del secondo ordine - funzione di risposta armonica; diagrammi di Bode; trasformata zeta; antitraformata zeta; Trasformazione bilineare - Sistemi FIR -IIR Controllo a risposta piatta. Libro di testo; cap.10 Dispense del docente
16Esercitazione con MatlabDispense del docente

Learning Assessment

Learning Assessment Procedures

This module includes two ongoing tests (prove in itinere), each one with a score of up to 15 points. Students who gain an overall score greater than or equal to 
18 can avoid performing the Systems Theory part of the Automatica written test, limited to the summer session exams. The exams at the end of the course refer to the entire "Automatic" subject.
These include a written and an oral test. The written test will consist of a task divided into two parts:
one related to Systems Theory (max. 15 points), the other to Automatic Controls (max 15 points), each consisting of exercises and questions.
Students will have direct access to the oral exam if they have accumulated a score greater than or equal to 18.

VERSIONE IN ITALIANO