SSD: ING-INF/04
CFU: 6
Insegnamenti propedeutici (se previsti dall'Ordinamento del CdS)
Nessuno.
Eventuali prerequisiti
Conoscenze di base sui sistemi di controllo a ciclo chiuso.
Obiettivi formativi
Il corso ha lo scopo di:
- fornire allo studente le competenze per l’analisi, la progettazione e il dimensionamento dei “sistemi di controllo su rete” (Networked Control Systems-‐NCSs) e dei “sistemi cyber-‐fisici” (Cyber-‐Physical Systems-‐CPSs) impiegati per il monitoraggio e il controllo dei processi distribuiti su rete;
- approfondire le tecniche di sintesi di algoritmi distribuiti, resilienti e fault-‐tolerant per la stima, il controllo e l’ottimizzazione su rete, applicabili ai moderni sistemi cyber-‐fisici presenti in ambito industriale (Smart Factory -‐ Industria 4.0, sistemi di elaborazione distribuita, Internet of Things) e civile/sociale (Smart City, reti e infrastrutture di comunicazione);
- illustrare le metodologie introdotte attraverso esempi di progettazione integrata software/hardware di rappresentativi sistemi cyber-‐fisici.
Risultati di apprendimento attesi
Conoscenza e capacità di comprensione
Il percorso formativo intende fornire agli studenti gli strumenti metodologici per l’analisi e la progettazione software/hardware dei moderni sistemi di controllo su rete e dei sistemi cyber-‐fisici. Lo studente deve dimostrare di avere appreso quali sono i requisiti peculiari delle componenti software e hardware dei sistemi di controllo su rete e dei sistemi cyber-‐fisici dedicati al monitoraggio e controllo dei principali processi industriali e civili. Lo studente dovrà inoltre dimostrare la conoscenza delle fasi principali della progettazione integrata
software/hardware di un sistema cyber-‐fisico e della sintesi dei relativi algoritmi distribuiti di controllo, stima e ottimizzazione. Lo studente deve infine dimostrare di aver compreso il ruolo delle tecniche di validazione degli algoritmi e di valutazione delle performance di un sistema cyber-‐fisico mediante strumenti di simulazione.
Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Lo studente deve dimostrare di sapere formalizzare le specifiche di funzionamento di un sistema di controllo su rete e di un sistema cyber-‐fisico individuando i requisiti prestazionali del sistema di controllo e della rete, anche in termini di autonomia energetica. A partire dalle specifiche formali di rappresentativi sistemi cyber-‐fisici, poi, lo studente deve dimostrare di sapere sviluppare semplici algoritmi distribuiti per il monitoraggio, il controllo e l’ottimizzazione su rete, e di essere in grado di dimensionare i principali componenti hardware per la loro implementazione. Infine, lo studente dovrà mostrare la capacità di progettare i test di validazione degli algoritmi e del sistema cyber-‐fisico nel suo complesso avvalendosi anche dell’utilizzo di semplici simulatori.
Programma - Syllabus
- Introduzione ai sistemi di controllo su rete e ai sistemi cyber-‐fisici
1.1 Processi complessi, distribuiti su rete e su larga scala
1.2 Sistemi di controllo remoto
1.3 Architetture centralizzate, decentralizzate e distribuite
1.4 Algoritmi distribuiti
1.5 Definizione e specifiche dei sistemi cyber-‐fisici e degli algoritmi distribuiti
1.6 Esempi applicativi - Modello multi-‐layer dei sistemi cyber-‐fisici
2.1 Livello “applicazione”
2.2 livello “rete”
2.3 livello “fisico”
2.4 Specifiche del livello applicazione, rete e fisico - Algoritmi distribuiti, progettazione e dimensionamento di un sistema cyber-‐fisico
3.1 I sistemi multi-‐agente e gli algoritmi di consenso
3.2 Progettazione del sistema di controllo a livello rete
3.3 Sintesi di algoritmi distribuiti per il controllo di traffico, di congestione e bilanciamento del carico
3.4 Progettazione del sistema di controllo a livello applicazione
3.5 Sintesi di algoritmi cooperativi di stima, ottimizzazione e controllo su rete
3.6 Autonomia energetica e “Energy Harvesting” in sistemi cyber-‐fisici. Algoritmi distribuiti di gestione energetica
3.7 Analisi di stabilità, convergenza e complessità computazionale degli algoritmi distribuiti - Resilienza e robustezza del sistema cyber-‐fisico e degli algoritmi distribuiti
4.1 Effetti dei ritardi di comunicazione, delle perdite dati, del rumore di misura e di canale, e incertezze parametriche sulle prestazioni del sistema cyber-‐fisico
4.2 Algoritmi distribuiti robusti, resilienti agli attacchi a livello di segnale e fault-‐tolerant - Algoritmi distribuiti per sistemi cyber-‐fisici basati su reti di sensori/sistemi embedded, reti di calcolatori, sistemi di elaborazione, flotte di droni e veicoli
- Esempi di applicazione delle metodologie introdotte al progetto integrato software/hardware di rappresentativi sistemi cyber-‐fisici per le Smart City e le Smart Factory (Industria 4.0)
Materiale didattico
Si veda il sito web del docente della materia.
Modalità di svolgimento dell'insegnamento
Il docente utilizzerà: a) lezioni frontali per circa il 50% delle ore totali, b) esercitazioni in aula mediante l’utilizzo di strumenti di simulazione e/o in laboratorio per circa il 50% delle ore totali
Verifica di apprendimento e criteri di valutazione
Modalità di esame
L'esame si articola in una prova orale e discussione di un elaborato progettuale.