Model-based robust H-infinity drive-train control for active vibration damping and hardware-in-the-loop operation for a scaled electro-mechanical test rig

This work mainly regards the implementation of drive-train inertia emulation, through Hardware-in-the-loop (HiL) configuration, based on H-infinity robust closed-loop feedback control. In this thesis different kind of H-infinity -based control logics are shown with a brief theoretical introduction. This control logics has been chosen thanks to its robustness with respect to dynamic perturbations of parameters. A robust control logic is required in testing system control logic, because it is not always possible to know with high accuracy all the DUT parameters. Nevertheless, H-infinity control exhibits a really good performance in controlling time-delayed system. Therefore, this approach has been chosen to be deeply analysed and implemented on a HiL configuration. All the results provided from simulations are validated with real-time tests on electro-mechanical scaled drive-train hardware. Inertia emulation has as main goal to change the dynamic of one system. This is done to provide to DUTs, wind turbine generators, the most realistic possible testing conditions. This aim is widely required in the testing rigs of the new generation wind turbines generators, that, due to the huge dimension of the rotor side (e.g. blades), cannot be tested in a controlled environment with all the mechanical components assembled. Consequently, testing individually the generator in a controlled environment means, simply, providing to it a different load condition with respect to the one that is supposed to handle with during the on-field working time. To achieve this goal, the best configuration is HiL operational mode. This framework is mainly based on a virtual augmentation of real plant, with a mathematical model, to change the testing rig dynamic features. Finally, the main purpose of HiL, in this thesis, is mainly to damp the testing plant natural frequency and to emulate a different dynamic behaviour. All the procedure done is extensively explained, aiming to link the theoretical background with the main features exhibit on real-time tests. Comparison of the results reached is done in order to show which approach is the best for the implementation of the inertia emulation.

Questo progetto punta alla realizzazione di un algoritmo per il controllo di un “drive train”, ovvero un albero adibito al trasporto di momento torcente, al fine di smorzare le oscillazioni dovute alla frequenza naturale torsionale e di emulare un differente comportamento dinamico.\\ % Una volta appurato che il prezzo dell’energia diminuisce aumentando le dimensioni delle turbine eoliche, il mercato ha favorito la produzione di dispositivi sempre più grandi, ciò ha reso impossibile lo svolgimento di test realistici in ambienti controllati sui generatori. Per realizzare delle prove empiriche, infatti, il rotore deve essere rimosso, a cause delle dimensioni eccessive delle pale, ma come è facilmente immaginabile, la loro inerzia è superiore rispetto a quella del banco di prova. Questa differenza modifica profondamente le condizioni di carico sul generatore, ed è quindi richiesto uno strumento in grado di annullare la dinamica del dispositivo testante, e allo stesso tempo di emulare una condizione di carico realistica.\\ % Questo strumento è ottenuto attraverso la configurazione Hardware-In-The-Loop (HiL), che si basa sull’inserimento di un modello matematico virtuale all’interno dell’anello chiuso di controllo. Questa struttura, tuttavia, è stata implementata differentemente rispetto allo stato dell’arte: mentre in letteratura l’inserimento di un modello matematico serve a manipolare direttamente l’input fisico del sistema, in questo caso ha la sola funzione di fornire un valore di riferimento, congruo alla dinamica target, ovvero al controllore. Sarà, in seguito, compito del controllore generare l’input che rispetti la dinamica richiesta.\\ % La caratteristica principale del controllore è la robustezza a incertezze sui parametri, alle perturbazioni indotte nel sistema e ai ritardi temporali. Queste proprietà sono fondamentali nelle logiche di controllo dei banchi di prova poiché è difficile conoscere con estrema accuratezza i parametri del dispositivo obiettivo dei test. Inoltre, il generatore non può essere considerato come input del sistema, ma deve essere considerato come disturbo dal controllo, di conseguenza, per tutta la durata del test, il banco di prova si troverà a lavorare in presenza di disturbo.\\ % Durante questo progetto sono state trattate tutti i maggiori approcci, noti dallo stato dell’arte, per l’implementazione di un controllore a norma infinita, conosciuto come controllo robusto. Tutti i risultati ottenuti dalle simulazioni sono stati validati tramite test su un macchinario costruito per testare le logiche di controllo su “drive-train”. I test sono stati eseguiti con l’intento di emulare un sistema molto semplice, basato su due masse concentrate, connesse tramite molla e smorzatore. \\ % I risultati ottenuti in termini di smorzamento della frequenza naturale e di emulazione di quella target sono abbastanza promettenti, quindi, nel futuro si intende implementare modelli di riferimento più complessi, così da ottenere test sempre più realistici. \\