Controllo delle vibrazioni di strutture flessibili con attuatori piezoelettrici mediante tecniche semi-attive non-lineari

In the last few decades, driven by the need of lighter structures, new composite lightweight materials with high stiffness have been developed. These materials, due to their mechanical proprieties, are not able to give high structural damping and this causes high vibration response of the system. In the same period, there was a huge improvement in electronics and in control logics which made the creation of more efficient systems with smaller and lighter actuators and sensors possible. The contemporary growth of these two fields brought the creation of mechanical systems with embedded actuators and sensors, known as smart structures. These systems can be used in many application as morphing systems, health monitoring and vibration control. In this work, we will focus on the vibration controls for flexible structures by using piezoelectric actuators. We start from the most common passive techniques that use a linear electrical shunt circuit in order to dissipate the energy of the system. Consequently, we will focus on the semi-active techniques that use a non-linear shunt, highlighting the main advantages and disadvantages compared to the passive and active vibration control strategies. These approaches will be first analysed in a simple case with only one piezoelectric actuator and with a pure harmonic excitation, then the complexity of the system will be increased, coming to a multi-actuator generic case with a wide spectral component excitation. In order to make these analyses we will use the numerical model of a carbon fiber cantilever beam, with approximately one meter length and with three embedded piezoelectric actuators. Finally, some improvements will be proposed to the state of art techniques, aiming at optimizing the control of one vibration mode considering a multi-modal response of the system .

Nel corso degli ultimi decenni la necessità di costruire strutture sempre più leggere ha portato all'introduzione di materiali in composito ad alta rigidezza e basso peso specifico. Questi nuovi materiali a causa delle loro caratteristiche meccaniche non sono in grado di fornire un adeguato smorzamento strutturale, il che comporta un alto livello di vibrazioni nella risposta del sistema. Nello stesso periodo si è assistito anche ad un grande progresso nell'elettronica e nelle logiche di controllo che ha reso possibile lo sviluppo di sistemi sempre più efficienti tramite l'utilizzo di sensori ed attuatori sempre più compatti. Lo sviluppo parallelo in questi due settori ha portato alla creazione di sistemi meccanici dotati di sensori ed attuatori integrati noti come strutture intelligenti. Questi sistemi possono essere utilizzati per svariate applicazioni come l'implementazione di sistemi a deformabilità controllata, il monitoraggio dell'integrità strutturale e il controllo delle vibrazioni. In questa tesi verranno studiate le tecniche di controllo di vibrazione di strutture flessibili tramite l'utilizzo di attuatori piezoelettrici. In particolar modo si studieranno prima le principali tecniche di tipo passivo che utilizzano un circuito elettrico lineare al fine di dissipare l'energia del sistema. Successivamente verranno analizzate più approfonditamente le tecniche semi-attive che utilizzano circuiti di tipo non-lineare, mettendo in evidenza i loro vantaggi e svantaggi in confronto alle metodologie di controllo classiche sia passive che attive. Questi approcci verranno inizialmente analizzati in un caso semplice, con singolo attuatore ed eccitazione puramente armonica, fino ad arrivare allo studio del caso più generale multi-attuatore con forzamento ad ampio contenuto armonico. Per effettuare queste analisi verrà utilizzato il modello numerico di una trave snella realizzata in fibra di carbonio della lunghezza di circa un metro equipaggiata con tre attuatori piezoelettrici. Infine verranno proposti alcuni miglioramenti alle tecniche presenti in letteratura, con l'obbiettivo di ottenere un controllo ottimale di un modo di vibrare a fronte di una risposta multi-armonica del sistema.