Modeling and control of a 6 d.o.f manipulator for wind tunnel tests on floating wind turbines

One of the most crucial issues of the last years is represented by the need of promoting renewable energy sources. In particular, offshore wind turbines appear to be one of the winning short-term solutions in the effort of boosting the green energy revolution. In this context, the European project Life50+ aims to optimize innovative concepts of 10MW offshore applications and to perform proper qualification studies of the turbines floating substructures. To this purpose, dedicated wind tunnel tests, involving an ad-hoc experimental set-up based on a Hardware-In-The-Loop (HIL) technology, are performed at Politecnico di Milano. The employed experimental layout includes two main components: a properly scaled wind turbine and a parallel kinematic machine, falling under the name of Hexaslide, whose goal is to reproduce the dynamics of the floating substructure. The main goal of this Thesis is to provide the Hexaslide prototype with an efficient, prompt and well-organized control architecture, capable of meeting the requirements of a real-time application such as the considered one. The overall control structure will be organized into two distinct hierarchical layers: a Supervision Layer, which takes care of managing the implemented control modes and ensures that adequate safety measures are satisfied, and a Control Layer in the strict sense of term, in charge of processing the reference provided by the supervisor and practically realizing the motion. Therefore, the development, implementation and testing of suitable control algorithms – regarding both the Supervision and Control layer – is here presented and fully discussed. Finally, in order to carry out proper simulation tests to check the performances the proposed control strategies, a reliable virtual twin of the considered system has been implemented within the MSC ADAMS® environment, a multi-body dynamics simulation solver. The latter represents a helpful simulation tool, since it is capable of modelling, at least partially, the complex dynamics of the considered system.

Una delle principali tematiche degli ultimi anni è rappresentata dalla necessità di promuovere fonti di energia rinnovabile. In particolare, le turbine eoliche offshore sembrano essere una delle soluzioni vincenti - a breve termine - allo scopo di promuovere la rivoluzione energetica per uno sviluppo sostenibile. In questo contesto, il progetto europeo Life50+ si propone di ottimizzare concept innovativi di applicazioni offshore da 10MW e di svolgere opportuni studi di qualificazione riguardanti le sottostrutture galleggianti delle turbine. A tal fine, presso il Politecnico di Milano sono stati eseguiti appositi test in galleria del vento, che sfruttano un set-up sperimentale ad-hoc basato su una tecnologia HIL (Hardware-In-The-Loop). Il layout sperimentale impiegato comprende due componenti principali: una turbina eolica opportunamente dimensionata e un robot a cinematica parallela, che prende il nome di Hexaslide, il cui obiettivo è riprodurre la dinamica della sottostruttura fluttuante. L’obiettivo principale di questa tesi è fornire a tale prototipo un’architettura di controllo efficiente, rapida e ben organizzata, in grado di soddisfare i requisiti di un’applicazione in real-time come quella considerata. La struttura di controllo complessiva sarà organizzata in due distinti livelli gerarchici: un Livello di Supervisione, che si occupa della gestione delle modalità di controllo implementate e garantisce che adeguate misure di sicurezza siano rispettate, e un Livello di Controllo nel senso stretto del termine, responsabile dell’elaborazione del riferimento fornito dal supervisore e della realizzazione del movimento. Pertanto, lo sviluppo, l’implementazione e la fase di collaudo di opportuni algoritmi di controllo - relativi a entrambi i livelli dell’architettura - sono qui presentati e discussi in modo completo. Infine, per poter effettuare test di simulazione adeguati sulle strategie di controllo proposte, un affidabile gemello virtuale del sistema considerato è stato implementato nell’ambiente MSC ADAMS®, un software di simulazione per strutture multi-body. Quest’ultimo rappresenta uno strumento di simulazione assai utile, poiché è in grado di modellare, almeno parzialmente, le complesse dinamiche del sistema considerato.