Analysis of model order reduction techniques and preliminary control design for active vibration isolation of the ESA MVMS facility

The ESA Micro Vibrations Measurement System (MVMS) is a facility conceived to perform measurements of the micro-vibrations generated by spacecraft components as well as to conduct vibration testing. In this regard, Active Vibration Control (AVC) systems are fundamental to mitigate the undesired disturbances due to the ground motion and obtain sensible results from the testing and measurement modes. To perform dynamic analyses on the Finite Element (FE) model of the facility and to design the AVC system, Model Order Reduction (MOR) techniques must be used, since the large-order of the model would require an extremely high computational effort to perform simulations. This thesis has two main goals: the application of various MOR methods to the FE model of the facility in order to retrieve a suitable reduced-order model, and the preliminary design of the active vibration control system. Concerning the first objective, the employed techniques are the Craig-Bampton reduction, one of the most classical MOR methods within the field of structural dynamics, and two techniques developed in the area of systems and control theory, namely the Modal Truncation and the Balanced Reduction. The investigation on the MVMS facility gives also the possibility to perform a more general comparative analysis of the different MOR methods, in order to highlight advantages and disadvantages of each technique depending on the system under study and the type of the analysis to be performed after the order reduction. Concerning the vibration control system, two strategies are applied, namely sky-hook damping and disturbance feedforward control. The synergy of these two control schemes allows to effectively isolate the payload from the ground vibrations, while ensuring that the required control forces are not inducing the saturation of the actuators. The results show an effective decrease of the vibrations transmitted to the payload, illustrating at the same time also the inherent limitations of simple control strategies when applied to Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems.

Il sistema ESA Micro Vibrations Measurement System (MVMS) è uno strumento volto ad effettuare misure delle micro-vibrazioni generate da componenti per applicazioni spaziali e per condurre test di vibrazioni. In tale ambito, sistemi di Controllo Attivo delle Vibrazioni (AVC) sono fondamentali per mitigare i disturbi indesiderati dovuti al movimento del terreno ed ottenere risultati ragionevoli dalle modalità di test e misura. Per effettuare analisi dinamiche sul modello agli Elementi Finiti (FE) e progettare il sistema AVC, tecniche di Riduzione d'Ordine del Modello (MOR) devono essere usate, in quanto l'alto ordine del modello richiederebbe uno sforzo computazionale estremamente alto per effettuare le simulazioni. Questa tesi si prefigge due obbiettivi principali: l'applicazione di diversi metodi MOR al modello FE della struttura per ottenere un appropriato modello di ordine ridotto e una progettazione preliminare del sistema di controllo attivo delle vibrazioni. Per quanto concerne il primo obbiettivo, le tecniche applicate sono la riduzione di Craig-Bampton, uno dei metodi MOR più classici nell'ambito della dinamica strutturale, e due tecniche sviluppate nel campo della teoria dei sistemi dinamici e del controllo, ovvero il Troncamento Modale e la Riduzione Bilanciata. Lo studio svolto sul sistema MVMS offre anche la possibilità di effettuare una analisi comparativa dei diversi metodi MOR, così da evidenziare vantaggi e svantaggi di ogni tecnica dipendentemente dal sistema studiato e il tipo di analisi da effettuare a valle della riduzione d'ordine. Per ciò che riguarda il sistema di controllo delle vibrazioni, due strategie sono applicate, lo sky-hook damping e il controllo feedforward dei disturbi. La sinergia di questi due schemi di controllo permette di isolare efficacemente il payload dalle vibrazioni del terreno, assicurando al tempo stesso che le forze di controllo richieste non inducano la saturazione degli attuatori. I risultati mostrano un'effettiva riduzione delle vibrazioni trasmesse al payload, mostrando allo stesso tempo le limitazioni intrinseche di strategie di controllo semplici applicate a sistemi Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)