Development,identification and control of a new air levitation system for educational purpose

This short thesis is concerned with a small-scale laboratory setup aimed to support educational activities in the field of control engineering. The setup includes a blower, whose speed is controlled by an electronic board, that generates an airflow. A wooden disk is pushed from below by the airflow and levitates at a height that depends on the disk weight and the air speed. An infra-red distance sensor measures the disk’s height. The control problem is to regulate the blower speed in order to track a desired disk height. The problem features (mild) nonlinear dynamics, state and input constraints, and both noise and process disturbances, making it a good test case for control courses and laboratory sessions. The original setup, developed in a previous short thesis, featured a ball levitating in the airflow. The main problem with such a setup was that the ball movements were too much sensitive to turbulence, hence making it difficult to track the ball’s position with the (low cost) sensor employed. To solve this problem, in this thesis the setup has been changed to a disk whose horizontal motion is constrained by guiding bars, hence leaving only the vertical position as a degree of freedom. After changing the mechanics, a system identification and a control design phases have been carried out in the thesis project, ending up in a first working controller for the new setup. The complete control development has been carried out in Matlab/Simulink and prototyped on an Arduino Mega 2560 board.

Questa breve tesi riguarda una piccola installazione di laboratorio finalizzata a supportare attività educative nel campo dell’ingegneria di controllo. L’installazione include un ventilatore, la cui velocità è controllata da una scheda elettronica, che genera un flusso d’aria. Un disco di legno viene spinto dal basso dal flusso d’aria e si alza ad un’altezza che dipende dal peso del disco e dalla velocità dell’aria. Un sensore di distanza a raggi infrarossi misura l’altezza del disco. Il problema di controllo è di regolare la velocità della ventola per tracciare l’altezza desiderata del disco. Il problema è caratterizzato da dinamiche non lineari (lievi), vincoli di stato e di ingresso e i disturbi di misura e di processo, rendendolo un buon banco di prova per i corsi di controllo e le sessioni di laboratorio. La configurazione originale, sviluppata in una precedente tesina, presentava una sfera che levitava nel flusso d’aria. Il problema principale con una tale configurazione era che i movimenti della sfera erano troppo sensibili alla turbolenza, rendendo quindi difficile monitorare la posizione della sfera con il sensore (a basso costo) impiegato. Per risolvere questo problema, in questa tesi l’installazione è stata modificata in un disco il cui movimento orizzontale è vincolato da barre guida, lasciando quindi solo la posizione verticale come grado di libertà. Dopo aver modificato la meccanica, nel progetto di tesi sono state eseguite un’identificazione del sistema e una fase di progettazione del controllo, ottenendo in un primo regolatore funzionante per la nuova configurazione. Lo sviluppo completo del controllo è stato effettuato in Matlab / Simulink e prototipato su una scheda Arduino Mega 2560.