Vibroacoustic control of plates with self-tuning decentralized feedback loops

In this thesis, a preliminary investigation of a self-tuning vibroacoustic control system on flexible plates with decentralized feedback loops for the rejection of broadband disturbance is presented. Each control loop consists of an accelerometer and a collocated low-cost commercial proof-mass actuator driven by an audio amplifier. The skyhook control strategy is employed, i.e., the transverse velocity of the vibrating surface is fed back to the collocated inertial actuator to reproduce the effect of a damper attached to a fixed point in space. The self-tuning technique is aimed at minimizing the radiated sound power and kinetic energy of the plate, without any knowledge of the modal properties of the vibrating surface. The value of the feedback gain has to be carefully selected because an excessive control action produces a pinning effect at control locations, leading to the introduction of new lightly damped modes, so that no active damping is obtained. The selection of the appropriate gain value is driven by the maximization of the power absorbed by the actuators since it is observed that the minimum kinetic energy and radiated sound power are found in this condition. A self-tuning algorithm is proposed that sequentially modifies the feedback gain till the maximization of the absorbed power is reached. Particular care should be placed to avoid the instability caused by the phase shift of the force exerted by the inertial actuator below its resonance frequency. An improvement of the stability margin is obtained by using a feedback compensator and the self-tuning algorithm settles for a suboptimal performance when the onset of instability is detected. Different configurations of the feedback loops were tested in order to evaluate the effect of the position and the number of control unit placed on the vibrating surface.

In questa tesi viene condotto uno studio preliminare di un sistema di controllo auto-regolante e decentralizzato ad anello chiuso per disturbi a banda larga. Ogni anello è costituito da un accelerometro e un attuatore inerziale co-locato e alimentato da un amplificatore audio. La strategia di controllo utilizzata è denominata skyhook control: la velocità trasversale della superficie vibrante viene trasmessa all’attuatore in modo da riprodurre l’effetto di uno smorzatore collegato ad un punto fisso nello spazio. La tecnica di auto-regolazione è basata sull’obbiettivo di progettare un sistema di controllo in grado di minimizzare la potenza acustica emessa e l’energia cinetica del pannello, senza alcuna conoscenza delle caratteristiche modali della struttura. Una particolare attenzione deve essere riservata alla scelta del guadagno poichè un valore eccessivo porta l’unità di controllo ad agire come un vincolo aggiuntivo con l’introduzione nel pannello di nuovi modi poco smorzati, cosicché non viene generato smorzamento attivo. La scelta del valore opportuno di guadagno viene guidata dalla massimizzazione della potenza assorbita dall’attuatore poiché si è osservato come questa condizione corrisponda ad una minimizzazione di energia cinetica e potenza acustica emessa. Viene proposto in questa tesi un algoritmo di auto-regolazione in grado di modificare progressivamente il guadagno fino a massimizzare la potenza assorbita. Particolare cura va posta nell’evitare l’instabilità causata dallo sfasamento della forza prodotta dall’attuatore per frequenze inferiori a quella di risonanza. Un miglioramento del margine di stabilità può essere ricavato dall’impiego di un filtro di compensazione e l’algoritmo di auto-regolazione si posiziona su una condizione non ottimale quando si è prossimi all’instabilità. Diverse configurazione del sistema di controllo sono state studiate in modo da valutare l’effetto della posizione e del numero di attuatori sul pannello.