Analysis and development of a vibration isolation system using low cost actuators and active decentralized control

The problem of vibration isolation is an important topic of study when isolation of precise equipment from environmental disturbances is considered. This thesis has the objective to create an isolation system made by low-cost instrumentation with the most simple and effective control logic. The present work is an experimental dissertation. Thus, it has the aim of verifying which are the reliable aspects and which ones must be further studied. Firstly, the problem of vibration isolation is discussed following the work done in the last years for single and multiple degrees of freedom. Inertial mass actuators are chosen among others due to their simple functioning, affordability and availability. “Sky-hook” control logic is chosen according to various authors as starting point. The structure under study is then analysed and the isolation system is set-up according to the analysis done, positioning the actuators chosen in Reactive configuration. Lastly, a way to implement a reliable centralized isolation control logic based on a modal “Sky-hook” is presented. Due to the simplicity requirement, a decentralization method is proposed and further simplified, for the specific analysed case, showing good simulation results. The experimental results of the implemented system show good results despite experimental implementation problems. Additional work has still to be done to achieve an isolation system completely made by low-cost instrumentation.

L’isolamento da vibrazioni è un argomento di rilevante importanza quando l’isolamento di strumentazione di precisone da disturbi esterni è preso in considerazione. L’obbiettivo che si prende in carico la presente tesi è quello di sviluppare e implementare un sistema di isolamento costituito da componentistica di basso costo utilizzando la logica di controllo più semplice e efficace possibile. Il lavoro qui presentato è di tipo sperimentale e quindi ha il compito di verificare quali siano gli aspetti che possono essere affrontati e quali necessitano di ulteriore studio. In prima istanza, il problema dell’isolamento da vibrazioni è analizzato seguendo quanto fatto da diversi autori negli ultimi anni. Tale problema è analizzato sia per un singolo grado di libertà che per multipli. Gli attuatori di massa inerziali sono scelti come attuatori utilizzati in questa tesi grazie alla loro semplicità di funzionamento, economicità e reperibilità. La logica di controllo scelta è lo “Sky-hook” che in concordanza con molti autori viene presa come punto di partenza. La struttura che è caso di studio di questa tesi è dunque analizzata. Il sistema di isolamento viene quindi costruito in concordanza con l’analisi sui sistemi di isolamento precedentemente fatta. In tale sistema di isolamento gli attuatori scelti vengono messi in configurazione reattiva. Come ultimo punto, viene presentato un modo per trovare un controllo di tipo centralizzato basato su un approccio “Sky-hook” di tipo modale. Data la richiesta di semplicità della logica di controllo legata all’obbiettivo della presente tesi, un metodo di decentralizzazione è qui proposto. Una ulteriore semplificazione di tale metodo viene derivata mostrando buoni risultati di simulazione. Essa è però valente esclusivamente per il caso in esame. Buoni risultati sperimentali sono ottenuti utilizzando il sistema di isolamento studiato e la logica di controllo derivante dall’ultima semplificazione del controllo decentralizzato, nonostante si siano riscontrate difficoltà nell’implementazione di tali esperimenti da un punto di vista pratico. Ulteriore lavoro è comunque richiesto per raggiungere l’obbiettivo di poter costruire un sistema di isolamento interamente composto da strumentazione di basso costo.