Active damping controllers with proof-mass electrodynamic actuators : design, analysis and experiments

This thesis work is a preliminary study for the development of a universal active device to be attached on demand to flat lightweight surfaces for low-frequency vibration and noise reduction. The device is based on a commercially available vibration speaker used as a proof-mass actuator. In this early prototype phase, the speaker is driven by a low-cost audio amplifier and the device is tested on an aluminum thin panel arranged in the laboratory. The feedback signal is provided by a small lightweight accelerometer and the controller is digitally implemented on a standard desktop computer running a real-time software. After deriving and implementing suitable modeling and simulation tools of the dynamics of the system under study, an experimental characterization of each component is carried out. In particular, a procedure is devised for the identification of the electro-mechanical parameters of the vibration speaker, which were not available from the manufacturer. The active unit applies a skyhook controller based on the direct feedback of the co-located transverse velocity of the vibrating surface. The active damping control is first evaluated on a simplified single-degree-of-freedom model of the plate to get insight into its physical behavior and stability properties. Then, it is numerically simulated on a full plate model and experimentally tested on the laboratory prototype plate. It is found that the skyhook controller can damp some low-frequency modes of the structure. However, the feedback gain must be limited due to the destabilizing coupling between the dynamics of the proof-mass actuator and the dynamics of the plate. In order to guarantee good stability properties, the actuator resonance should have a low natural frequency and it should be well damped. Two strategies are studied and implemented with the aim of improving the stability margins of the control system. The first approach is based on introducing a compensation filter in the loop such that it modifies in an appropriate manner the dynamics of the actuator and makes the system less prone to control spillover. The second strategy follows a similar approach by implementing a local feedback loop on the inertial device. Both methods are first studied on the dynamic models of the system and then tested on the prototype panel. Closed-loop performances are compared and some conclusions on their advantages and limitations are drawn.

Questo lavoro è uno studio pilota per la commercializzazione di un dispositivo utile alla riduzione delle vibrazioni, e quindi del rumore, montabile on-demand e posizionabile arbitrariamente su un qualsiasi pannello sottile. Le finestre, o più generalmente i pannelli sottili, sono il mezzo con la quale il rumore esterno si propaga all'interno degli edifici. Per salvaguardare il benessere della persona sia in ambienti domestici che in ambienti lavorativi, recentemente la ricerca si è focalizzata sullo studio di soluzioni tecnologicamente all'avanguardia che garantiscano un alto isolamento acustico e quindi una maggior confortevolezza. Questo aspetto, già in fase di sviluppo nell'automotive e nel campo aeronautico, rimane però spesso sottovalutato in un mercato più globale. Questo lavoro si va ad inserire proprio in questo ambito nel quale l'aspetto economico, la compattezza e la flessibilità del dispositivo diventano imprescindibili. In questo lavoro si sviluppa un analisi teorica e sperimentale di un controllore attivo delle vibrazioni composto da un attuatore inerziale asservito da opportuni compensatori tali da massimizzare la sua performance. Altro obiettivo principale di questa tesi è verificare la possibilità di utilizzare un vibration speakers come attuatore inerziale. Pur essendo così versatili e reperibili a basso costo, gli attuatori elettro-meccanici presentano delle importanti limitazioni. Accoppiando quest'ultimi con una struttura, essi introducono un ritardo di fase di 180° che, ad anello chiuso, limita il massimo margine di stabilità in modo significativo. Ricordando che aumentare il margine di stabilità significa aumentare il massimo guadagno possibile in retroazione mantendo il sistema stabile, allora un incremento di questo si traduce in un incremento dello smorzamento attivo del pannello. In questo lavoro si sono così indagati e sperimentati diversi metodi che garantiscano un aumento del margine di stabilità ponendosi in una condizione tipo nella quale il contenuto armonico della struttura sia sconosciuto.