Synthesis and evaluation of algorithms for a stand-alone active damper

Among the different solutions adopted in structural vibrations control, passive tuned vibration absorbers are a widely used option. Their field of application, however, is restricted to a single frequency, which coincide with their resonance frequency. Active control systems can be a valid alternative to the classic passive dampers, as they provide higher performance in a wider range, especially for low-frequency applications. However, the stability of these control systems is conditioned by the dynamics of the actuator itself: a part of this thesis has been focused to the search for a solution able to limit the instability problems which may arise under certain conditions. To date, the most used active control strategies are based on centralized architectures in which, as the size of the control system increases, logistical and implementation problems can occur, which represent a constraint in their application. In a totally decentralized control logic, however, the several devices act as self-sufficient local controllers: since there is no share of information, the control action will depend only on local information, resulting in lower performance than the centralized case. In this thesis the possibility of exploiting a partial sharing of data between the devices has been investigated, in order to improve the overall quality of the vibration control of a totally decentralized architecture. To allow this sharing of information, wireless communication has been used, especially to overcome the problems affecting centralized structures. However, the use of this technology involves some complications that must necessarily be considered during the development phase: if the communication channel is saturated, in fact, phenomena such as data loss and transmission delay commonly occur, affecting the optimality and the stability of the control system. For this reason, this work has been set up according to these restrictions; in one case a control logic which is able to automatically adapt to the type of structure and the nature of the vibration to control has been proposed, while in the other a modified version of the Kalman filter has been developed, which is able to provide an estimate of the state of the system as accurate as the communication between devices is exploited.

Tra le varie soluzioni adottate nel controllo di vibrazioni strutturali, gli smorzatori inerziali passivi rappresentano un'opzione largamente utilizzata. Il loro campo di applicazione, però, è circoscritto a un'unica frequenza, coincidente con la loro frequenza di risonanza. I sistemi di controllo attivo possono rappresentare una valida alternativa ai classici smorzatori passivi, poiché garantiscono prestazioni più elevate in un intervallo molto più ampio, soprattutto per applicazioni a basse frequenze. Tuttavia, la stabilità di questi sistemi di controllo è condizionata dalla dinamica dell'attuatore stesso: una parte di questa tesi è stata infatti dedicata alla ricerca di una soluzione in grado di limitare i problemi di instabilità che possono sorgere in determinate circostanze. Ad oggi, le strategie di controllo attivo maggiormente impiegate si basano su architetture di tipo centralizzato nelle quali, con l'aumentare della dimensione del sistema di controllo, si possono riscontrare problemi logistici e di implementazione che costituiscono di fatto un vincolo nella loro applicazione. In una logica totalmente decentralizzata, invece, i vari dispositivi agiscono come singoli controllori auto-sufficienti: non essendoci alcuno scambio di informazioni, l'azione di controllo dipenderà solamente da informazioni locali, ottenendo di conseguenza prestazioni inferiori rispetto al caso centralizzato. In questa tesi è stata indagata la possibilità di sfruttare una parziale condivisione di dati tra i dispositivi al fine di migliore la qualità globale del controllo della vibrazione di un'architettura totalmente decentralizzata. Per consentire questa condivisione di informazioni, è stata utilizzata una comunicazione di tipo wireless, soprattutto per ovviare anche ai problemi che affliggono le strutture centralizzate. Tuttavia, l'impiego di questa tecnologia comporta alcune complicazioni che devono necessariamente essere considerate in fase di sviluppo: se il canale di comunicazione viene saturato, infatti, fenomeni quali perdita di dati e ritardo nella trasmissione si verificano molto comunemente, intaccando l'ottimalità e la stabilità del sistema di controllo. Per questa ragione, il lavoro è stato impostato in funzione di queste restrizioni; in un caso è stata proposta una logica in grado di adattarsi al tipo di struttura e alla natura della vibrazione che si desidera controllare, mentre nell'altro è stata sviluppata una versione modificata del filtro di Kalman, in grado di fornire una stima dello stato del sistema tanto più accurata quanto più la comunicazione viene sfruttata.