RICHIEDEI DARIO

CONTROLLO DEL MOTO E DELLE VIBRAZIONI La seguente attività comprende la formulazione di nuove tecniche di controllo per il controllo in retroazione del moto e delle vibrazioni in meccanismi e manipolatori: • Formulazione di una originale tecnica di controllo robusto, mediante lo sviluppo di un originale approccio di controllo “mixed-norm” H2/H∞ per meccanismi a membri deformabili. • Formulazione di una originale tecnica di controllo ottimo per meccanismi a membri deformabili, basati sull’utilizzo di modelli lineari a tratti per facilitare il controllo in real-time in presenza di grandi movimenti. • Formulazione di nuove metodologie di sintesi dei guadagni finalizzati al “pole placement” in sistemi vibranti, basate sul modello dinamico e sulla formulazione alle ricettanze (del secondo ordine), la quale rappresenta la più naturale formulazione dinamica per sistemi vibranti • Formulazione di un originale metodo di controllo delle vibrazioni mediante imposizione delle forme modali attraverso il controllo attivo (“active eigenstructure assignment”), sfruttando anche la concorrente ottimizzazione dei parametri elastici ed inerziali tramite approcci di “modifica strutturale inversa” (“inverse dynamic structural modification”). Tale tecnica di controllo, basata su complicati approcci matematici, è stata validata in diversi sistemi, anche utilizzando attuatori piezoelettrici. • Formulazione di nuove metodologie di sintesi dei guadagni finalizzati all’imposizione di antirisonanze in sistemi vibranti mediante controllo attivo in retroazione dello stato. Tale metodo è basato sul modello dinamico, sulla formulazione alle ricettanze e sull’utilizzo di Linear Matrix Inequalities . • Formulazione di un originale metodo per la creazione di un’antirisonanza mediante “output feedback” La validazione sperimentale è stata effettuata anche utilizzando attuatori piezoelettrici e sfruttando anche la concorrente ottimizzazione dei parametri elastici ed inerziali tramite approcci di “modifica strutturale inversa”. • Studio di criteri di sintonizzazione di Tuned Mass Damper attivi. • Formulazione di un originale approccio di controllo a tempo ritardato (Delayed Reference Control - DRC) per il simultaneo controllo del moto e delle oscillazioni in sistemi sotto-attuati a più gradi di libertà. Tale metodo è stato inoltre esteso in una formulazione non co-locata (DRNC) per ottimizzare il “path tracking”. • Formulazione di una originale tecnica di controllo del moto in sistemi meccanici multi-asse con attuatori oleodinamici, basata sul concetto di controllo a tempo ritardato per considerare la comprimibilità del fluido all’interno degli attuatori (Delayed Reference Synchronization Control – DRSC). • Formulazione di un originale approccio di controllo del moto e delle oscillazioni in sistemi sotto-attuati a più gradi di libertà mediante interpretazione del comportamento vibrazionale come una propagazione di onde, quindi di tipo Wave Based Control - WBC. Al fine di ottimizzare il “path tracking”, tale tecnica utilizza il concetto di errore di contornatura, per il quale è stato proposto un originale algoritmo di stima in real-time per percorsi di forma arbitraria. estensione del Wave Based Control. • Formulazione di un originale approccio di controllo della tensione in sistemi di movimentazione di film flessibili (“web tension control”) mediante fractional PID, basato sull’uso di derivate frazionarie, al fine di controllare le dinamiche non lineari introdotte dagli attuatori pneumatici e la flessibilità del film. • Formulazione di un nuovo approccio di Model Predictive Control (MPC), denominato MPC-ERD, per l’inseguimento di traiettorie in sistemi sottoattuati. Tale tecnica è stata estesa al controllo del moto in robot a cavi.

Essendo tutte attività di ricerca basate sull’utilizzo di modelli dinamici, un’ampia attività di ricerca è stata dedicata allo sviluppo di modelli dinamici, che siano allo stesso tempo in grado di rappresentare correttamente il comportamento del sistema e che siano facilmente utilizzabili per gli scopi delle singole attività. Una consistente parte della ricerca è stata pertanto dedicata allo sviluppo ed alla verifica sperimentale di modelli dinamici, con riferimento alle seguenti tematiche: • Sviluppo di modelli di sistemi multibody e di meccanismi a membri deformabili. • Sviluppo di originali criteri di riduzione di modelli di sistemi vibranti, per consentire simulazioni in real-time, sintesi di controllori o stimatori o per applicazioni di progettazione mediante metodi di inversione del modello. In particolare, si sono sviluppati i seguenti aspetti: o Sviluppo di modelli lineari a tratti di ordine ridotto per sistemi multibody flessibili. o Sviluppo di modelli non lineari di ordine ridotto per sistemi multibody flessibili. o Sviluppo di criteri di riduzione del modello pe l’utilizzo del metodo di “Craig-Bampton” . o Sviluppo di criteri di riduzione del modello pe l’utilizzo del metodo “Enhanced Craig-Bampton”. • Sviluppo di originali metodi per l’identificazione sperimentale dei parametri in sistemi vibranti e aggiornamento del modello (“model updating”), sia nel caso di sistemi con misure “esatte” (ossia approcci deterministici) che nel caso di misure affette da incertezza. • Sviluppo di modelli dinamici, integrati a modelli elettrici, di sistemi di movimentazione di film flessibili . • Sviluppo di modelli dinamici di meccanismi in presenza di attuatori oleodinamici, considerando la deformabilità del fluido. • Sviluppo di modelli dinamici di robot a cavi mediante equazioni differenziali algebriche e coordinate ridondanti.

METODI DI STIMA IN SISTEMI MULTIBODY E SISTEMI VIBRANTI Tale attività di ricerca è propedeutica allo sviluppo di metodi di controllo che possano operare in real-time. Essa è finalizzata allo studio di tecniche di stima di grandezze non misurabili, di natura sia cinematica che dinamica, a partire da opportune formulazioni del modello dinamico o cinematico. Sono stati sviluppati metodi innovativi nei seguenti ambiti, fornendo nella maggior parte dei casi anche validazione sperimentale: • Formulazione di originali filtri di Kalman cinematici per sistemi multibody a membri rigidi, basati sulla rappresentazione del modello cinematico come un sistema del primo ordine. • Formulazione di originali stimatori della forza esterna in sistemi multibody a membri rigidi, secondo logiche a doppio stadio, al fine di ridurre gli effetti dell’incertezza. • Formulazione di filtri di Kalman dinamici per sistemi multibody rappresentati mediante sistemi di equazioni differenziali e algebriche (DAE) e coordinate dipendenti. • Formulazione di originali stimatori dello stato per meccanismi a membri deformabili, basati sull’utilizzo di modelli non lineari di ordine ridotto o lineari a tratti, al fine di ridurre l’onere computazionale e consentire la stima in real-time. • Formulazione di originali tecniche di stima della forza peso in misure di celle di carico mediante algoritmi di convoluzione con sequenze di impulsi, basati sul modello dinamico. • Formulazione di un’originale tecnica di compensazione del rumore ambientale in misure di celle di carico mediante modelli dinamici e cinematici e misure accelerometriche.

METODI INTEGRATI DI PROGETTAZIONE DI SISTEMI MECCATRONICI Tale tematica trae vantaggio dai metodi ed i modelli sviluppate nell’ambito delle attività descritte, ed ha portato ai seguenti principali risultati: • Formulazione di un originale metodo di progettazione di molle di bilanciamento in meccanismi ad un grado di libertà per la riduzione del consumo energetico nell’esecuzione di movimenti ripetitivi, a partire dal modello meccanico ed il modello dell’assorbimento di energia elettrica. • Formulazione di un originale metodo di progettazione di scelta integrata della trasmissione e del motore, in sistemi ad un grado di libertà, per la riduzione della taglia del motore nell’esecuzione di movimenti ripetitivi, a partire dal modello elettro-meccanico dell’intero sistema. Tale approccio, è stato declinato in due aspetti diversi, con diverse metodologie: o Design ottimale di sistemi con trasmissione a vite a ricircolo di sfere, considerando gli aspetti elasto-dinamici della trasmissione. o Design ottimale di sistemi con riduttore epicicloidale, considerando la scalatura dimensionale delle grandezze significative. • Formulazione di un originale metodo di progettazione di scelta integrata della trasmissione e del motore, in sistemi ad un grado di libertà, per la riduzione del consumo energetico nell’esecuzione di movimenti ripetitivi, a partire dal modello meccanico ed il modello dell’assorbimento di energia elettrica. • Progettazione integrata di componenti per dispositivi meccatronici in ambito medicale

MODIFICA STRUTTURALE IN SISTEMI VIBRANTI L’attività di ricerca è finalizzata allo sviluppo di metodi di progettazione delle proprietà inerziali ed elastiche in sistemi meccanici, al fine di conseguire le proprietà dinamiche desiderate, quali frequenze naturali, forme modali, antirisonanze. Tali tecniche di modifica strutturale inversa (“Inverse dynamic structural modification” IDSM) sono basate sulla formulazione del problema di analisi modale inversa e sull’utilizzo di tecniche matematiche di ottimizzazione per la soluzione, sfruttando le peculiarità del problema agli autovalori. In particolare, sono stati a tal fine sviluppati e validati i seguenti innovativi metodi: • Formulazione di originali di metodi di analisi modale inversa per l’assegnazione delle frequenze naturali e dei modi di vibrare associati, mediante definizione dell’intero modo di vibrare. • Formulazione di originali di metodi di analisi modale inversa per l’assegnazione parziale delle frequenze naturali senza spillover sui modi residui, basati su flussi isospettrali. • Estensione del metodo di cui al punto precedente per sfruttare la formulazione alle ricettanze e per contemplare modifiche strutturali di tipo discreto. • Formulazione di originali di metodi di analisi modale inversa per l’assegnazione delle frequenze naturali e dei modi di vibrare associati, mediante assegnazione parziale delle forme modali, sviluppando un originale approccio di soluzione basato sull’ottimizzazione omotopica . • Formulazione di originali di metodi di analisi modale inversa per l’assegnazione di antirisonanze sviluppando un originale approccio di soluzione basato sull’ottimizzazione omotopica per la soluzione del problema modale inverso del “sistema aggiunto”. • Formulazione di originali di metodi di analisi modale inversa per l’assegnazione di frequenze naturali e di antirisonanze con vincoli di robustezza. • Utilizzo concorrente delle tecniche di IDSM nei citati ambiti di controllo attivo e pianificazione del moto, portando ad approcci “ibridi”. • Studio di criteri di sintonizzazione di Tuned Mass Damper passivi

PIANIFICAZIONE DEL MOTO IN SISTEMI MECCATRONICI A partire dai modelli dinamici sviluppati, estesi per considerare anche le dinamiche e le caratteristiche degli attuatori, sono stati sviluppati di nuovi metodi di pianificazione ottima del moto, intesa come un ulteriore strumento per ottimizzare il comportamento dinamico di sistemi vibranti e meccatronici. Sono stati sviluppati metodi innovativi nei seguenti ambiti, fornendo nella maggior parte dei casi anche validazione sperimentale: • Formulazione di originali metodi per la sintesi di leggi di moto atte alla riduzione del consumo energetico, considerando il modello dinamico della macchina ed il modello di assorbimento dell’energia elettrica. Tale ambito è stato declinato in diversi aspetti, portando con maggiore dettaglio ai seguenti risultati: o Formulazione analitica di leggi di moto energeticamente ottime, e del tempo di moto ottimo, in sistemi ad un grado di libertà ed inerzia costante. o Formulazione di un metodo per la pianificazione ottima in sistemi robotici multi-asse in presenza di ridondanza funzionale. o Formulazione di un metodo per la pianificazione ottima in celle robotiche in presenza di ridondanza. o Formulazione di un metodo per la definizione del percorso energeticamente ottimo in robot. • Formulazione di originali metodi per la riduzione delle vibrazioni in sistemi sottoattuati mediante pianificazione del moto robusta, basata su metodi variazionali e sul modello della dinamica interna. • Formulazione di un approccio per la riduzione delle vibrazioni in sistemi sottoattuati mediante pianificazione del moto robusta, basata sul concorrente utilizzo di Input Shaping e modifica delle proprietà elastiche ed inerziali del sistema. • Formulazione di originali metodi per la pianificazione del moto, e sul calcolo delle coppie di feedforward, su traiettoria e percorso imposto in sistemi sottoattuati a fase non minima, basata su metodi di inversione del modello e sulla stabilizzazione della dinamica inversa. • Formulazione di metodi di pianificazione del moto per sistemi automatici di trasporto di contenitori con liquido, per il controllo delle oscillazioni. • Formulazione di un nuovo approccio di controllo in feedforward in generatori di vibrazione sotto-attuati, mediante definizione della dinamica interna e del sottospazio del moto ammissibile e dinamica inversa. Tale metodo, denominato Force Shaping, è stato esteso sfruttando anche la concorrente ottimizzazione dei parametri elastici ed inerziali tramite approcci di “modifica strutturale inversa” (“inverse dynamic structural modification”), portando quindi ad approcci ibridi attivi-passivi. • Formulazione di un nuovo approccio per la sintesi di leggi di moto per l’ottimizzazione di processi di pressocolata di alluminio (high pressure die casting)