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MINISTERO DELL'ISTRUZIONE, DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA
DIPARTIMENTO PER LA PROGRAMMAZIONE IL COORDINAMENTO E GLI AFFARI ECONOMICI - SAUS
PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE
RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n. 21 del 20 febbraio 2003)

PROGETTO DI UNA UNITÀ DI RICERCA - MODELLO B
Anno 2003 - prot. 2003094275_003
PARTE I

1.1 Tipologia del programma di ricerca
Interuniversitario 


Aree scientifico disciplinari
Area 09: Ingegneria industriale e dell'informazione (100%) 
 
 


1.2 Durata del Programma di Ricerca

24 Mesi  


1.3 Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

MELCHIORRI  CLAUDIO  cmelchiorri@deis.unibo.it 
ING-INF/04 - Automatica     
Università degli Studi di BOLOGNA     
Facoltà di INGEGNERIA     
Dipartimento di ELETTRONICA, INFORMATICA E SISTEMISTICA     


1.4 Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca

FANTUZZI  CESARE   
Professore Associato  15/08/1964  FNTCSR64M15A785E 
ING-INF/04 - Automatica     
Università degli Studi di MODENA e REGGIO EMILIA     
Facoltà di INGEGNERIA II     
Dipartimento di SCIENZE E METODI DELL'INGEGNERIA     
0522 433 366
(Prefisso e telefono)
 
0522 496 466
(Numero fax)
 
fantuzzi.cesare@unimore.it
(Email)
 


1.5 Curriculum scientifico del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca


Testo italiano

Cesare Fantuzzi e’ nato a Bentivoglio (Bologna) nel 1964. Si e’ laureato in Ingegneria Elettronica presso l'Università di Bologna nel1990 e conseguito il titolo di Dottore in Ingegneria dei Sistemi nel 1995 presso il dipartimento DEIS dell'Università di Bologna. E’ stato ricercatore visitatore presso il Politecnico di Zurigo (1992) e l’Universita’ di Delft, Olanda (1995). Dal 1996 ha ricoperto il ruolo di ricercatore universitario presso la Facolta’ di Ingegneria (Universita’ di Ferrara) e dal 2001 e’professore associato presso la Facolta’ di Ingegneria dell’Univerista’ di Modena e Reggio Emilia (sede di Reggio Emilia). Nel 1998 ha organizzato una scuola estiva sul controllo in logica fuzzy finanziata dal programma TMR (Training and Mobility of the Researchers) finanziata nell’ambito del quarto Programma Quadro della EU. E’ membro del comitato tecnico SAFEPROCESS dell’IFAC (International Federation of Automatic Control) dal 1999, e membro dell'organizzazione internazionale PLCOpen perla standardizzazione dei controllori industriali dal 1999.
Il prof. Fantuzzi e’ responsabile di diversi contratti di ricerca per il trasferimento tecnologico in collaborazione con importanti aziende operanti nell’automazione industriale (Vortex Systems di Ferrara, Tetrapak di Modena, CNH di Modena). E’ coordinatore del CUMEC (Centro di Ricerca Universitario in Meccatronica), attivo presso la Facolta’ di Ingegneria di Reggio Emilia.
Gli interessi di ricerca del prof. Fantuzzi sono nelle aree dei sistemi di controllo, della robotica e diagnosi dei guasti. E’ autore e coautore di circa 80 pubblicazioni tecnico scientifiche, tra cui tre libri di controllo fuzzy, diagnosi e controllo di sistemi meccatronici.


Testo inglese
Cesare Fantuzzi was born in Bentivoglio (Bologna) in 1964. He got the Electrical Engineering degree at University of Bologna in 1990, and the Ph.D. at department DEIS (University of Bologna) in 1995. He was visiting researcher at Zurich Polytechnic in 1992, and at Delft University (The Netherlands) in 1995. From 1995 he got a tenure position of researcher at University of Ferrara, Engineering Faculty and since 2001 he is an Associate Professor at University of Modena and Reggio Emilia, Engineering Faculty in Reggio Emilia. In 1998 he organised a summer school on Fuzzy Control funded by TMR (Training and mobility of Researchers) programme in the IV research framework programme of the European Union. Since 1990 he is member of the IFAC (International Federation of Automatic Control) Technical Committee SAFEPROCESS, and since 1999, he member of the international organisation for automation control standardisation named PLCOpen.
He is the coordinator of several applied research projects funded by private enterprises in the field of industrial automation, like Vortex System (Ferrara), Tetrapak (Modena) and CNH (FIAT group in Modena). He is coordinator of the research centre named CUMEC (University Research Centre in Mechatronic).
The research interest of Cesare Fantuzzi are in the fields of System Control, Robotics, and Fault Diagnosis. He is author and co-author of about 80 scientific publications, among three books on fuzzy control, fault diagnosis and mechatronic system control.


1.6 Pubblicazioni scientifiche più significative del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca

1. FANTUZZI C.; SIMANI S.; BEGHELLI S.; ROVATTI R. (2002). Identification of piecewise affine models in noisy environment INTERNATIONAL JOURNAL OF CONTROL. (vol. 75 pp. 1472-1485)  
2. SIMANI. S; FANTUZZI C.; PATTON R.J. (2002). Model-based Fault Diagnosis in Dynamic Systems Using Identification Techniques ISBN: 1-85233-685-4 LONDON: Springer (UNITED KINGDOM)  
3. SILVIO SIMANI; FANTUZZI C.; SERGIO BEGHELLI (2000). Diagnosis techniques for sensor faults of industrial processes IEEE TRANSACTION OF CONTROL SYSTEM TECHNOLOGY.  
4. R. ROVATTI; FANTUZZI C.; S. SIMANI (2000). High speed dsp-based implementation of piecewise-affine and piecewise-quadratic fuzzy systems THE SIGNAL PROCESSING JOURNAL.  
5. C. BONIVENTO; FANTUZZI C. (1998). Multiple-layer variable structure controller with parameter adaptation. EUROPEAN JOURNAL OF CONTROL.  


1.7.1 Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca

Personale docente

Cognome  Nome  Dipartimento   Qualifica  Settore Disc.  Mesi Uomo 
1° anno  2° anno 
1. FANTUZZI   Cesare   Dip. SCIENZE E METODI DELL'INGEGNERIA   Prof. Associato   ING-INF/04   6   6  
                


Altro personale


Nessuno

1.7.2 Personale universitario di altre Università

Personale docente

Cognome  Nome  Università  Dipartimento/Istituto  Qualifica  Settore Disc.  Mesi Uomo 
1° anno  2° anno 
1. BEGHELLI   Sergio   FERRARA   Dip. INGEGNERIA   PO   ING-INF/04   2   2  
2. SIMANI   Silvio   FERRARA   Dip. INGEGNERIA   RU   ING-INF/04   4   2  
                   


Altro personale


Nessuno

1.7.3 Titolari di assegni di ricerca


Nessuno

1.7.4 Titolari di borse per Dottorati di Ricerca e ex L. 398/89 art.4 (post-dottorato e specializzazione)

Cognome  Nome  Dipartimento/Istituto  Anno del titolo  Mesi Uomo 
1° anno  2° anno 
1. Secchi  Cristian  Dip. SCIENZE E METODI DELL'INGEGNERIA   2004  5   3  
             


1.7.5 Personale a contratto da destinare a questo specifico programma

Qualifica  Costo previsto  Mesi Uomo 
1° anno  2° anno 
Laureato in ingengeria  30.000  11   11  
   30.000  11  11 


1.7.6 Personale extrauniversitario dipendente da altri Enti


Nessuno




PARTE II

2.1 Titolo specifico del programma svolto dall'Unità di Ricerca


Testo italiano

Una concezione innovativa del controllo distribuito per sistemi industriali


Testo inglese
A new formulation for distributed control for industrial systems


2.2 Settori scientifico-disciplinari interessati dal Programma di Ricerca

 

ING-INF/04 - Automatica  
ING-INF/05 - Sistemi di elaborazione delle informazioni  


2.3 Parole chiave


Testo italiano

CONTROLLO DECENTRALIZZATO ; CONTROLLO DISTRIBUITO ; NORMA IEC61131 ; NORMA IEC61499 ; UML


Testo inglese
DECENTRALISED CONTROL ; DISTRIBUTED CONTROL ; IEC61131 NORM ; IEC61499 NORM ; UML


2.4 Base di partenza scientifica nazionale o internazionale


Testo italiano

Le nuove tecnologie elettroniche ed informatiche mettono a disposizione dispositivi e sistemi miniaturizzati equipaggiati con potenti di unità di calcolo, pronti per essere programmati ed usati per costruire sistemi complessi e distribuiti (Automazione Basata su Componenti [1]). Ad esempio sono disponibili sensori in grado di acquisire e elaborare un segnale analogico prima di inviarlo alla unità centrale di controllo, e sistemi di attuazione “intelligenti” capaci di agire in modo autonomo in risposta alla rilevazione di malfunzionamenti (es. surriscaldamento del dispositivo di attuazione).

La tecnologia di base è quindi ormai pronta a supportare un sistema di controllo realmente distribuito, in cui ogni sottoparte di macchina è in grado di agire in modo autonomo in base a strategie di controllo decentralizzate. Questo scenario semplificherebbe la realizzazione del controllo di macchina, in quanto la decentralizzazione rende il sistema modulare e flessibile, facilitando la messa in marcia dell’impianto e la sua gestione e manutenzione [1,2,7]

Questa visione proiettata sul futuro dei sistemi per l’automazione è supportata anche dallo standard IEC 61499 [3-6]. Questa norma descrive le specifiche che un sistema di controllo distribuito deve soddisfare, con particolare riguardo allo scambio di segnali e la definizione delle funzionalità standard di tipo algoritmico che ciascun dispositivo deve possedere.

Tuttavia, a tutt’oggi vi sono pochi esempi di controllo distribuito, soprattutto nelle applicazioni industriali, e, in particolare, si possono elencare pochi metodi formali che possano supportare lo sviluppo di applicazioni distribuite, sia per la parte di progetto, ma soprattutto per la verifica formale del controllore distribuito.

Infatti, i fattori che ostacolano maggiormente il decollo di questa tecnologia possono essere riassunti in:

- La mancanza di una metodologia per lo sviluppo di una applicazione distribuita che tenga conto delle specifiche di controllo relativa a ciascun componente e che le sviluppi in un progetto perfettamente organizzato ed armonizzato.
- La mancanza di tecnologia “Open Source” che fornisca le funzionalità di un sistema operativo a Tempo Reale (RT) di base su cui implementare in modo aperto e fruibile senza vincoli dipendenti dal particolare fornitore di tecnologia la metodologia di controllo distribuito.

Nel presente progetto di ricerca, l’unita’ di Reggio Emilia si occuperà dello studio e verifica di una metodologia per le applicazioni distribuite, sfruttando le tecnologie di tipo a Tempo Reale ed aperte sviluppate da altre unità operative componenti il progetto.


Testo inglese
The most advanced information technology provides the availability of new generation of miniaturized components ready to be programmed and used to build complex and distributes systems (Component Based Automation [1]). As notably examples, “intelligent” sensors are available that can pre-process the signal before providing it to the system controller, “smart” actuators can react autonomously to handle alarm conditions (e.g. overheating of the actuator).

The base technology is therefore by now ready to support a really distributed control system, in which every machine subpart can act in independent way in a framework of a decentralized control strategy. This scenario would simplify the realization of the machine control, because the decentralization renders modular and flexible the system, facilitating the plant start up, its management and maintenance [1,2,7].

This vision on future control systems is supported also from 61499 standard IEC [3-6]. This norm describes the features and characteristics that a distributed control system must satisfy, with particular emphasis to the signal exchange and the definition of the functionalities standard of algorithmic type that every device must possess.

However, up to present time, there are little examples of distributed control, above all in the industrial applications, and, with little exceptions, poor methods can be listed that they can support the development of distributed applications or its final formal verification.

In fact, the factors that mainly hinder the takeoff of this technology can be reassumed in:

- The lack of a methodology for the development of a distributed application tacking in account the control specification of each component and the overall control developments in a perfectly organized and harmonized plan as well.
- The lack of “Open Source” technology (vendor independent) supplying the hardware and Real Time (RT) operating system functionalities, on which it can be implement in a straightforward way the distributed control methodology.

In the present research plan the Reggio Emilia Unit will take care of the study and verification of a methodology for the distributed applications, taking advantage of the Open and Real Time technologies developed from the other projects members.


2.4.a Riferimenti bibliografici

[1] Software technology for implementing reusable, distributed control systems
Heck, B.S.; Wills, L.M.; Vachtsevanos, G.J.
IEEE Control Systems Magazine, Vol.23, Iss.1, Feb 2003
Pages: 21- 35

[2] Fault-tolerant configuration of distributed discrete controllers
Fujimoto, Y.; Sekiguchi, T.
Industrial Electronics, IEEE Transactions on, Vol.50, Iss.1, Feb 2003
Pages: 86- 93

[3] “Function blocks for industrial-process measurement and control systems - Part 1: Architecture”, IEC/PAS 61499-1 (2000-09), Published by International Electrotechnical Commission (IEC).

[4] “Function blocks for industrial-process measurement and control systems - Part 2: Software tools requirements” IEC/PAS 61499-2 (2001-05) ), Published by International Electrotechnical Commission (IEC).

[5] “Function Blocks for industrial-process measurement and control systems - Part 4: Rules for compliance profiles”, IEC/PAS 61499-4 (2002-07) ), Published by International Electrotechnical Commission (IEC).

[6] “Programmable controllers - Part 3: Programming languages, IEC 61131-3 (2003-01) ), Published by International Electrotechnical Commission (IEC).

[7]
Vyatkin V. and Hanisch H.-M.
"Verification of Distributed Control Systems in Intelligent Manufacturing", to appear in Journal of Intelligent Manufacturing, special issue on Internet Based Modeling in Intelligent
Manufacturing, vol.14, N.1, 2003


2.5 Descrizione del programma e dei compiti dell'Unità di Ricerca


Testo italiano

Nell’ambito del programma generale di ricerca, l’unità di Reggio Emilia (UNIMORE) si propone di sviluppare un metodo e quindi definire un algoritmo per il progetto e lo sviluppo di un sistema di controllo distribuito per sistemi di uso industriale (es. macchine automatiche), rispettando le specifiche fornite dalle più diffuse norme del settore del Software industriale (IEC 61131 e IEC 61499) e con il supporto tecnologico “open source” messo a disposizione delle altre unità di Ricerca.

Tale metodo verrà sviluppato secondo due direzioni:

1. Controllo distribuito [1-3] dei componenti attivi in un sistema cooperante che controlla un processo continuo (ad esempio un sistema di micro-riscaldatori distribuiti che cooperano per la generazione di un profilo spaziale di temperatura fissata per la modellazione di una superficie plastica ottenuta tramite riscaldamento).
2. Controllo logico di sistemi mediante Reti di Petri abbinate alle metodologie di tipo UML [4,5] per la definizione di nuovi paradigmi per la descrizione formale di macchine a stati di tipo distribuito, nel campo dei macchine con funzionamento logico predominante (ad esempio macchine automatiche).

Inoltre verranno affrontati i temi della diagnosi dei guasti del sistema distribuito, e quello della verifica formale della correttezza del software di controllo sviluppato, con particolare riguardo alla analisi dei requisiti ottenuta con metodologia USE CASE di UML.

Dal punto di vista operativo, L'unita' di Ricerca UNIMORE partecipa ai seguenti workpackages (WPs) di cui si compone il progetto di ricerca complessivo:

WP-1 Sviluppo di metodologie di progetto per sistemi di controllo di
sistemi distribuiti e controllori logici.
WP-3 Simulazione
WP-4 Dimostrazione
WP-5 Disseminazione dei risultati

e coordina il WP-4 (Dimostrazione).

Allo scopo di individuare le milestones di verifica e coordinare le sinergie con le altre unita’ di ricerca, le attivita’ sono organizzate nelle seguenti fasi:

1. Fase di Analisi.

Questa fase è rivolta ad approfondire temi relativi al controllo distribuito, ed integrare la base di conoscenza dell’unità di ricerca UNIMORE con le altre unità partecipanti al progetto. Questa analisi è già in corso di sviluppo, e sono state individuate alcune metodologia che si suppone siano promettenti per risolvere il problema oggetto della presente attività, come descritto nel seguito. Tali metodologie verranno integrate con studi approfonditi specifici relativi a questo progetto di ricerca, aventi anche lo scopo di integrare metodi e gli strumenti che si intendono usare con le metodologie in corso di sviluppo presso le altre unità di ricerca coinvolte nel progetto.

Durata della fase 1: 8 Mesi.
Risorse impegnate nella fase 1: Personale universitario coadiuvato dalla risorsa a contratto richiesta per il progetto. Sono previste due missioni per partecipazione a convegni internazionali.

2. Fase di Elaborazione delle metodologie.

In questa fase verranno elaborate le metodologie proposte per affrontare il problema oggetto della ricerca. Le metodologie più promettenti che si ritiene possano venire esplorate in questa attività sono:

(*) Per quanto riguarda il controllo decentralizzato, si pensa di utilizzare il metodo del “Controllo Distribuito di Sistemi Spazialmente Invarianti” [1,2,3], in sintesi, si tratta di sistemi descrivibili con equazioni alle derivate parziali a coefficienti costanti, con misure e controllo distribuiti. Tale metodo dovra’ essere modellato ed adattato sul particolare campo applicativo oggetto di questo studio. Un esempio, puo’ essere quello di un sistema di attuazione distribuito spazialmente di microattuatori (MEMS) cooperanti.

(**) Per quanto riguarda il controllo logico distribuito, si vogliono estendere risultati preliminari ottenuti dai partecipanti l’unita’ di ricerca nel campo del progettoe verifica formale di controllori (concentrati) di sistemi ad eventi discreti [4,5]. Il metodo prevede l’utilizzo del linguaggio UML, adattato al contesto dei sistemi industriali, per il progetto del sistema di controllo, e la “logica temporale” per la verifica formale del controllore ottenuto sulla base delle specifiche di progetto. In questo progetto di ricerca, tali risultati verranno estesi al caso dei sistemi distribuiti, con particolare riguardo agli aspetti di verifica formale di un sistema di controllo distribuito.

Durata della fase 2: 8 Mesi
Risorse impegnate nella fase 2: Personale universitario coadiuvato dalla risorsa a contratto.

3. Verifica e dimostrazione dei risultati

Una volta elaborate tali metodologie, esse verranno provate su piccola scala nel laboratorio dell’Unita’ di Ricerca. Le prove di laboratorio saranno articolate in una fase di simulazione del controllore distribuito, sia per quanto riguarda il caso (*) che il caso (**), utilizzando software scritto in linguaggio Matlab e schemi Simulink. Una volta che le simulazione abbiano confortato i risultati teorici, si passerà a costruire un sistema dimostrativo di laboratorio acquistando moduli programmabili e modulari costituiti da un set di microattuatori e microsensori con microprocessore e memorie a bordo, dispositivi di ingresso-uscita analogici e digitali, e comunicazione wireless, su cui sia possibile installare il kernel real time sviluppato dalle altre unità’ di ricerca. Questi sistemi verranno poi programmati con il software di controllo sviluppato secondo le metodologie elaborate nel punto 2. Si prevede di usare due sistemi di dimostrazione, uno per sistemi continui (*) e uno per sistemi ad eventi discreti (**).

Al termine della fase di dimostrazione in scala ridotta, sara’ affrontata un fase di verifica sperimentale sul campo in collaborazione con la Tetra Pak di Modena (azienda leader mondiale nel campo delle macchine “packaging beverage”), si prevede di applicare le metodologie sviluppate e testato in laboratorio su di un sistema di produzione industriale di pacchetti per l’industria alimentare composto da un macchina impacchettatrice ed una linea di produzione. Il sistema di prova sara’ composto da sottosistemi modulari autonomi e cooperanti a livello di macchina (svolgimento materiale imballaggio, sterilizzazione, formazione pacchetto, chiusura pacchetto) e successiva linea di post-produzione (incollaggio cannuccia, applicazione tappino e cartonatura).
L’obbiettivo della dimostrazione sara’ quello di valutare l’impatto della decentralizzazione del controllo di macchina e della linea e quindi si cercheranno di valutare gli aspetti critici e quantificare i benefici del metodo applicato a questo contesto.

Durata della fase 3: 18 mesi, di cui 8 mesi imputati al presente progetto, mentre una richiesta di finanziamento per la prosecuzione del progetto per i risultanti 10 mesi sara’ sottoposta alla Tetra Pak sulla base dei risultati preliminari ottenuti.
Risorse impegnate nella fase 3: Personale universitario coadiuvato dalla risorsa a contratto. Sistemi di calcolo e software per la simulazione. Un sistema di laboratorio per le verifiche su piccola scala. Un sistema di prova su macchina messo a disposizione da Tetra Pak. Sono previste due missioni per partecipazione a convegni.


Fase di disseminazione scientifica

Questa attività fase sarà svolta in modo continuativo per tutta la durata della ricerca in corrispondenza del raggiungimento di milestones significative. I risultati delle ricerche verranno presentati per la discussione scientifica ai convegni piu’ significativi del settore della Automatica, quali la “Conference on Decison and Control”, CDC, l’”European Control Conferences”, ECC, e l’”American Control Conference”, ACC. Si prevede di organizzare un workshop rivolto all’ambiente accademico per la discussione dei risultati finali del progetto di ricerca, mentre si organizzera’ una giornata di presentazione e divulgazione specificatamente rivolta al mondo industriale.



Bibliografia

[1]Distributed control of spatially invariant systems
Bamieh, B.; Paganini, F.; Dahleh, M.A.;
Automatic Control, IEEE Transactions on , Volume: 47 Issue: 7 , Jul 2002
Page(s): 1091 –1107

[2]C. Liu, T. Tsao, Y. Tai, J. Leu, C. Ho,W. Tang, and D. Miu, “Out of plane
permanent magnetic actuators for delta wing motion control,” in Proc.
1995 IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, Amsterdam,
The Netherlands, 1995.

[3]B. van Keulen, H -Control for Distributed Parameter Systems.
Boston, MA: Birkhauser, 1993.

[4] M. Bonfe’ and C. Fantuzzi., “Design and Verification of Industrial Logic Controllers with UML and Statecharts”, proc. of 2003 Conference of Control Applications, (IEEE CCA 2003).

[5] M. Bonfe’, C. Donati and C. Fantuzzi., “An Application of Software Design Methods to Manufacturing System Supervision and Control”, proc. of 2002 Conference of Control Applications, (IEEE CCA 2002).


Testo inglese
In the general research program framework, the Reggio Emilia Unit (UNIMORE) is willing to develop a method and, therefore, to define an algorithm for the design and the development of a distributed control system for industrial use (es. automatic machines), respecting the specifications supplied from the most diffuse norms of the field of industrial Software (IEC 61131 and IEC 61499) and with the “Open Source” technology developed form the others research groups.

Such a method, will be addresses to two clear topics:

1. Distributed control [1-4] of the active components of a cooperant system controlling a continuous system (e.g. a distributed system formed by an array of micro-heaters which shapes a plastic surface providing a pre-defined spatial temperature gradient).

2. System Logical Control based on Petri Nets and UML methods [4,5] for the definition of new paradigms for the formal description of distributed state machines, targeting to the control of automatic machines in industrial field.

Moreover, it will be considered the fault diagnosis problem in distributed system, and the topic concerning the formal verification of the correctness of the distributed control software, with particular regard to the analysis of requirement obtained with USE CASE UML methodology USE.

The UNIMORE Research Unit will participate to the following project workpackages

WP –1 Design Methodology development for Distributed Control Systems and Logical Controllers.
WP – 2 Simulation
WP – 3 Demonstration
WP – 5 Results dissemination

UNIMORE will coordinate the workpackage 4 (Demonstration)

The research activities are divided in 3 milestones:

Phase 1: Problem analysis.

In this phase, the research topics on distributed control available in current literature will be analyzed. Moreover, the knowledge background of the UNIMORE unit will be merged and unified to those of the other research participants. The problem analysis is already under partial development, and some methodologies have been recognized to be promising in this research, as it will be described in the following. In any case, further studies will be carried on in order to achieve a better understating of the problem and of the most advanced methodologies available from current literature.

Phase duration: 8 months.
Resource employed for this phase: Academic personnel supported by specific personnel hired on contract. Two missions to attend to international congresses.

Phase 2: Methodology development

This phase is concerned with the development of methods to solve the proposed control problems. The most promising methodologies that have been chosen to explore in this activity are:

(*) Concerning the decentralized control, it is foresee to use the “Distributed Control of System Spatially Invariant” method” [1,2,3]. In short, it tackles distributed parameter systems where the underlying dynamics are spatially invariant, and where the controls and measurements are spatially distributed. This methodology will be then adapted to the particular applicative filed subject of the present research. These systems arise in many applications such as the control of vehicular platoons, flow control, microelectromechanical systems (MEMS), etc.

(*) Concerning the distributed logical control, it will be extended the preliminary results achieved by the staff of UNIMORE Research Unit in the filed of formal desing and verification of controller (concentrated) of discrete event systems [4,5]. This methodology adapts the formal language UML to the industrial context for the design part, and it uses the temporal logic notation for the software formal verification. Those results will be extended to the distributed system field, with particular emphasis to the formal verification of distributed controllers.

Phase duration: 8 months.
Resource employed for this phase: Academic personnel supported by specific personnel hired on contract.

Phase 3: Methodology demonstration.

Once such methodologies elaborated, they will come tested on small scale in the laboratory of the Research Unit. The laboratory tests will be articulated in a phase of simulation of the distributed controller, are as far as the case (*) that the case (**), using software written in Matlab-Simulink language. Once the simulation results will confirm the methodological approach, a small scale laboratory system will be set using an array of micro-sensors and micro-actuators equipped with microprocessor, memory, input and output devices and wireless communication system, loading the real time kernel developed from the others research units. These systems will be programmed following specifications and algorithm developed during phase 2 of this research project. It is foresee to develop two demonstration systems, one for continuous systems (*) and one for discrete event systems (**).

At the end of this small scale demonstration step, it will be started a large scale demonstration phase in collaboration with Tetra Pak of Modena (multinational company who is a leader in the field of machineries for beverage packaging). We foresee to apply the methodologies developed during this research project, and tested in the small scale demonstration experiment, to a complex system formed by a packaging machines followed by a “secondary packaging” line. The test system wil be formed by a set of modular and autonomous subsystems that cooperate to reach the production goal at machine level (packaging material unwinding, sterilization, package sealing) and at secondary packaging level (straw applicator, cap applicator, card board forming).
The goal of this demonstration phase is in the evaluation of the control decentralization of the system control of a real production line, trying to explore benefits and critical aspects.

Phase duration: 18 months in total, but only 8 month are on the budget of this project. On the basis of preliminary results achieved, will be asked to Tetra Pak to finance the remaining 10 months of the demonstration phase.
Resource employed for this phase: Academic personnel supported by specific personnel hired on contract. Computing system with software for system simulation. A laboratory set-up for small scale demonstration. A large scale demonstration set up from Tetra Pak. Two missions to attend to international congresses

Scientific dissemination phase.

This activity phase will be carried out in permanent way for all the duration of the research project in correspondence of the attainment of meaningful milestones. In particular, research results will be presented to the scientific community at the most important conferences in the System Control filed, like “Conference on Decision and Control”, (CDC), “European Control Conference” (ECC), “American Control Conference, (ACC). It will be also organized a workshop for academic dissemination and a specific presentation particularly oriented to industrial audience.

References

[1]Distributed control of spatially invariant systems
Bamieh, B.; Paganini, F.; Dahleh, M.A.;
Automatic Control, IEEE Transactions on , Volume: 47 Issue: 7 , Jul 2002
Page(s): 1091 –1107

[2]C. Liu, T. Tsao, Y. Tai, J. Leu, C. Ho,W. Tang, and D. Miu, “Out of plane
permanent magnetic actuators for delta wing motion control,” in Proc.
1995 IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, Amsterdam,
The Netherlands, 1995.

[3]B. van Keulen, H -Control for Distributed Parameter Systems.
Boston, MA: Birkhauser, 1993.

[4] M. Bonfe’ and C. Fantuzzi., “Design and Verification of Industrial Logic Controllers with UML and Statecharts”, proc. of 2003 Conference of Control Applications, (IEEE CCA 2003).

[5] M. Bonfe’, C. Donati and C. Fantuzzi., “An Application of Software Design Methods to Manufacturing System Supervision and Control”, proc. of 2002 Conference of Control Applications, (IEEE CCA 2002).


2.6 Descrizione delle attrezzature già disponibili ed utilizzabili per la ricerca proposta


Testo italiano


Nessuna

Testo inglese

Nessuna


2.7 Descrizione della richiesta di Grandi attrezzature (GA)


Testo italiano


Nessuna

Testo inglese

Nessuna


2.8 Mesi uomo complessivi dedicati al programma

  Numero  Mesi Uomo 
Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca  1  12 
Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca (altri)  0  0 
Personale universitario di altre Università  2  10 
Personale universitario di altre Università (altri)  0  0 
Titolari di assegni di ricerca  0  0 
Titolari di borse dottorato e post-dottorato  1  8 
Personale a contratto   1  22 
Personale extrauniversitario  0  0 
TOTALE 52 



PARTE III


3.1 Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca


Testo italiano

Voce di spesa  Spesa in Euro  Descrizione 
Materiale inventariabile  5.800  Personal computer, sensori ed attuatori programmabili per le attivita' dimostrative di laboratorio. 
Grandi Attrezzature     
Materiale di consumo e funzionamento  3.200  Aggiornamento software Matlab, materiale di consumo vario. 
Spese per calcolo ed elaborazione dati     
Personale a contratto  30.000   
Servizi esterni     
Missioni  8.000  Missioni per la presentazione dei risultti scientifici della ricerca 
Pubblicazioni     
Partecipazione / Organizzazione convegni  5.000  Organizzazione di un workshop e una giornata di studio. 
Altro      
TOTALE 52.000    


Testo inglese
Voce di spesa  Spesa in Euro  Descrizione 
Materiale inventariabile  5.800  Personal computer, programmable sensors and actuators for the demonstration activities. 
Grandi Attrezzature     
Materiale di consumo e funzionamento  3.200  Matlab software upgrade, consumable devices. 
Spese per calcolo ed elaborazione dati     
Personale a contratto  30.000   
Servizi esterni     
Missioni  8.000  Mission for the disseminationa activities. 
Pubblicazioni     
Partecipazione / Organizzazione convegni  5.000  Workshop organization. 
Altro      
TOTALE 52.000    

Il progetto è già stato cofinanziato da altre amministrazioni pubbliche (art. 4 bando 2003)?     NO  



 

3.3 Tabella riassuntiva

Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca  52.000 
Costo minimo per garantire la possibilità di verifica dei risultati  35.000 
Fondi disponibili (RD)  15.600 
Fondi acquisibili (RA)   
Cofinanziamento di altre amministrazioni pubbliche (art. 4 bando 2003)   
Cofinanziamento richiesto al MIUR  36.400 



PARTE IV


4.1 Risorse finanziarie già disponibili all'atto della domanda e utilizzabili a sostegno del Programma

Provenienza  Anno  Importo disponibile  Note 
Università       
Dipartimento  2003   9.000  Fondi disponibili presso il Dipartimento 
CNR       
Unione Europea       
Altro  2003   6.600  Fondi disponibili presso ente privato. 
TOTALE    15.600    


4.2 Risorse finanziarie acquisibili in data successiva a quella della domanda e utilizzabili a sostegno del programma nell'ambito della durata prevista

Provenienza  Anno della domanda o stipula del contratto  Stato di approvazione  Quota disponibile per il programma  Note 
Università         
Dipartimento         
CNR         
Unione Europea         
Altro         
TOTALE         


4.3 Certifico la dichiarata disponibilità e l'utilizzabilità dei fondi di cui ai punti 4.1 e 4.2:

SI



(per la copia da depositare presso l'Ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi finanziati; legge del 31.12.96 n° 675 sulla "Tutela dei dati personali")


Firma _____________________________________   Data 28/03/2003 ore 12:50 


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