Analisi di una superficie di sliding non lineare per il controllo di sistemi meccanici tramite sliding mode

Non-linear behavior is present in many mechanical system operating conditions. In these cases, a common engineering practice is to linearize the equation of motion around a particular operating point, and to design a linear controller. This approach may lead to unsatisfactory performances, particularly when large movements of the structure are considered. For this reason, non-linear control techniques represent a very attractive solution for mechatronics application. In this work, the robust control technique called Sliding Mode Control, suitable for many non-linear systems, have been considered. This technique deals with systems with heavy uncertainties and external disturbance, thanks to the use of discontinuous control action required to force the controlled system on a particular surface in the state space, called sliding surface. Referring to the pendulum non-linear system, a non-linear sliding surface have been analyzed and characterized, in order to compare its performances with a linear sliding surface, very popular in sliding mode control. This approach have been considered also with reference to a very complex system, consisting in a three-link flexible manipulator. For this system, a non-linear modal system have been developed, and two different methods to tune a non-linear sliding observer have been investigated. Finally, the performances of the Sliding Mode Control with linear and non-linear sliding surface have been compared and the experimental results obtained in different maneuvers are reported.

Comportamenti non lineari sono presenti in molte condizioni operative per i sistemi meccanici. In questi casi, una comune prassi ingegneristica è quella di linearizzare le equazioni di moto intorno a un particolare punto di interesse, e sviluppare un controllore lineare per il sistema così ottenuto. Quest’approccio può non essere adeguato soprattutto nel momento in cui si deve far compiere alla struttura un movimento di grande entità. Per questo motivo, sta prendendo sempre più piede l’utilizzo di logiche di controllo non lineari nell’ambito meccatronico. In questo lavoro, si è analizzata nel dettaglio la logica di controllo non lineare robusta chiamata controllo Sliding Mode, applicabile a una vasta categoria di sistemi non lineari. Questa logica permette di ottenere grande robustezza verso incertezze di modellazione e disturbi esterni, grazie all’utilizzo di una legge di controllo discontinuo. Tale azione è necessaria per forzare il sistema su una determinata superficie nello spazio degli stati, chiamata superficie di sliding. La scelta più diffusa in letteratura è quella di utilizzare una superficie di sliding lineare. In questo lavoro di tesi, con riferimento al sistema del pendolo semplice, è stata analizzata e caratterizzata una superficie di sliding non lineare. L’applicabilità di questo approccio è stato quindi valutato anche su un sistema non lineare complesso, costituito da un manipolatore flessibile a tre link. Per questo sistema, è stata proposta una modalità con cui è possibile ricavare un modello modale dello stesso e sono state considerate due diverse modalità di taratura di un osservatore di stato non lineare sliding mode. Infine, è stato effettuato per diverse manovre un confronto tra il controllo Sliding Mode con superficie lineare e non lineare.