Self-sensing inertial actuators for vibroacoustic plate control : design, analysis and testing

In this thesis, a preliminary investigation on the use of a self-sensing inertial actuator to apply vibroacoustic control on flexible plates is presented. A commercially available vibration speaker, driven by a small audio amplifier, is used as a low-cost proof-mass actuator to reduce the vibration of a thin aluminum plate arranged in the laboratory. A skyhook control strategy is employed, meaning that the transverse velocity of the vibrating structure is fed back to the collocated actuator to reproduce the effect of a damper attached to a fix point in space. The control logic is digitally implemented on a standard desktop computer running a real-time software. A common way to provide the feedback signal could be to obtain the transverse velocity by integration of the plate acceleration, measured placing a small lightweight accelerometer on the bottom side of the plate, in correspondence of the inertial actuator. In this thesis it is investigated the possibility to reconstruct the plate velocity without the need of an accelerometer, therefore without the need to have accessibility to both sides of the plate. An expression for the plate transverse velocity is derived, based only on the characteristics of the actuator and having as inputs only tension and current applied to the actuator itself. This expression is tested both numerically and experimentally, firstly on a single-degree-of-freedom model of the plate, then on a full plate model and eventually on the prototype aluminum plate. Some modifications of the transfer functions for the reconstruction of the velocity are proposed and tested, in order to overcome instability problems arised during the numerical testing. Eventually a digital filtering of the electrical quantities is proposed, discussed and tested, with the aim to delay the onset of high frequency instability due to control spillover. The quality of the model of the self-sensing actuator is addressed comparing its result with the velocity computed by pseudo-integration of the plate acceleration. In the end the limits of the experimental setup are considered and some guidelines for further evaluations are drawn - among which advantages and limitations of the digital control implemented, with respect to a partially, or fully, analogical approach.

Questa tesi presenta uno studio preliminare sul'utilizzo di un attuatore inerziale in modalità self-sensing, per ottenere il controllo vibroacustico di una lamiera flessibile. Uno speaker vibrazionale, alimentato da un piccolo amplificatore audio, è stao usato come attuatore a basso costo per ridurre le vibrazioni di una lamiera sottile di alluminio installata in laboratorio. E' implementata una strategia di controllo skyhook, la velocità trasversale della struttura misurata nel punto in cui è posto l'attuatore, è utilizzata per calcolare l'azione di controllo, in modo da riprodurre l'effetto di uno smorzatore attaccato ad un punto fisso nello spazio. Il controllo in tempo reale è implementato digitalmente su un PC desktop in laboratorio. Il modo classico di ottenere la velocità della lamiera prevede l'installazione di un accelerometro in corrispondenza dell'attuatore inerziale, sulla faccia libera della struttura. In questa tesi è invece analizzata la possibilità di ricostruire la velocità trasversale della lamiera senza bisogno di accelerometri, quindi senza bisogno di doppia accessibilità alla struttura. Un'espressione della velocità è stata ricavata basandosi solamente sulla misura della tensione applicata allo speaker vibrazionale, e sulla misura della corrente che lo attraversa. Questa espressione è stata testata dapprima numericamente - su due modelli della struttura di complessità differente - ed infine sperimentalmente, sul prototipo presente in laboratorio. Alcune modifiche all'espressione matematica sono proposte e testate, in modo da superare problemi di istabilità manifestatisi nei test, oltre alla progettazione di filtri per tensione e corrente. L'efficacia del modello del sensore-attuatore è discussa confrontandone i risultati con quelli ottenuti utilizzando la velocità ottenuta per pseudo-integrazione dell'accelerazione. In conclusione sono discussi i limiti del setup sperimentale traendo alcune indicazioni per eventuali sviluppi futuri, facendo particolare riferimento a vanataggi e svantaggi dell'approccio digitale utilizzato, in confronto ad uno parzialmente o totalmente analogico.