Active control design of ESA's 6DoF micro vibrations measurement system

The present work has the objective of performing some preliminary assessments useful for designing the future control system of ESA’s MVMS (Micro Vibrations Measurement System) when operating either in the actuator mode or in the sensor mode. Firstly, the structural characteristics of the MVMS, the position of the sensors and of the actuators, the normal modes of the facility and the balancing masses arrangement are investigated. Afterwards, it is considered that, since the full FEM model has several Degrees of Freedom (DoFs), it is possible to reduce them thanks to the Craig-Bampton (CB) method. In order to obtain a simpler model of the facility, this latest system is further condensed to fewer physical and modal DoFs. Then, an equivalent model is designed, which accurately describes the behaviour of the MVMS in the longitudinal direction. In order to impose an excitation from the ground, the Large Mass (LM) method is applied both to the equivalent model and to the condensed CB one. Hence, the equivalent system gains one DoF. Eventually, all the models are validated to prove that they are compliant with the full FEM model. At this point, the control systems are designed on the equivalent model: first the one of the vibration isolation platform (VIBISIO), and then the one of the vibration measurement platform (MPLAT). Regarding the VIBISIO control, it is designed the control system by previously analysing different approaches already employed in literature for controlling Stewart platforms. The most suitable control technique consists of the combination of a feedback (FB) and a feedforward (FF) control, where a skyhook damper with tunable gain is employed in the FB. For the MPLAT control, instead, the H-infinity control strategy is adopted. Subsequently, the controls of the 2DoF model are extended to the condensed CB model. The results confirm that, since all the models had been validated, a control system which is applicable to the 2DoF model is suitable also for the CB system and, eventually, for the full FEM model.

Il presente elaborato ha l’obiettivo di eseguire delle valutazioni preliminari utili per progettare il futuro sistema di controllo dell’MVMS (Sistema di Misura delle Micro Vibrazioni) di ESA quando opera in modalità attuatore oppure in modalità sensore. In primo luogo, sono investigate le caratteristiche strutturali della piattaforma, la posizione dei sensori e degli attuatori, i modi propri di vibrare della facility e la disposizione delle masse di bilanciamento. Successivamente viene considerato che, siccome il sistema FEM completo possiede parecchi gradi di libertà (gdl), è possibile ridurli grazie al metodo di Craig-Bampton (CB). Per ottenere un modello più semplice della facility, quest’ultimo sistema viene ulteriormente condensato a un numero minore di gdl modali e fisici. In seguito, viene progettato un modello equivalente, il quale descrive accuratamente il comportamento dell’MVMS in direzione longitudinale. Per imporre un’eccitazione dal terreno, viene applicato il metodo della Large Mass (LM) sia al modello equivalente sia al modello Craig-Bampton condensato. Quindi, il sistema equivalente guadagna un gdl. Infine, tutti i modelli vengono validati per dimostrare che sono conformi al modello FEM completo. A questo punto, vengono progettati i sistemi di controllo sul modello equivalente: prima quello della piattaforma di isolamento delle vibrazioni (VIBISIO), poi quello della piattaforma di misura delle vibrazioni (MPLAT). Riguardo al controllo della VIBISIO, viene progettato il sistema di controllo analizzando prima diversi approcci già impiegati in letteratura per controllare le Stewart platform. La tecnica di controllo più adatta consiste nella combinazione di un controllo in feedback (FB) e di uno in feedforward (FF), dove nel FB viene impiegato uno skyhook damper con guadagno regolabile. Per il controllo della MPLAT, invece, viene adottata la strategia di controllo H-infinito. Successivamente, i controlli del modello a 2 gdl vengono estesi al modello CB condensato. I risultati confermano che, siccome tutti i modelli erano stati validati, un sistema di controllo che è applicabile al modello a 2 gdl risulta idoneo anche per il sistema CB ed, infine, per il modello FEM completo.